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Schaltung zur Kurzschlußüberwachung von Stromkreisen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Kurzschlußüberwachung
von Stromkreisen, insbesondere Generatorstromkreisen, und zur Lastabschaltung im
Kurzschlußfall unter Verwendung von in die Stromkreise geschalteten Stromwandlern
sowie Schaltschützen zum An- und Abschalten von Verbrauchern.
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Zum Schutz von Stromversorgungsanlagen und elektrischen Verbrauchern
ist es allgemein üblich, in den Stromkreis zu den Verbrauchern mehr oder weniger
flinke Sicherungen zu legen, die bei einem unzulässig hohen Speisestrom ansprechen
und beispielsweise durch Abschmelzen die Verbindung vom Verbraucher zur Stromversorgungsanlage
auftrennen. Zum Abschmelzen der Sicherungen wird eine bestimmte Zeitspanne benötigt.
Diese Zeitspanne kann selbst bei überflinken Sicherungen mitunter zu groß sein,
um eine Gefährdung der Stromversorgungseinrichtung und/oder der Verbraucher mit
Sicherheit ausschließen zu können. Die Abschmelzzeit einer Sicherung ist im wesentlichen
abhängig von ihrer Dimensionierung und der im Störungsfall gegenüber dem Nennstrom
eingetretenen Stromerhöhung; in Stromkreisen, in denen ein möglicher Kurzschlußstrom
nicht beliebig hoch sein kann, beispielsweise in Generatorstromkreisen von Netzersatzanlagen,
kann die Abschmelzzeit durchaus in der Größenordnung von zehn und mehr Sekunden
liegen. Während dieser Zeit können sowohl die Stromversorgungseinrichtung, d.h.
in erster Linie das einen Generator antreibende Netzersatzaggregat, als auch die
angeschalteten
Verbraucher durch Uberstrom Schaden nehmen.
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Ein weiterer Nachteil derartiger Sicherungen ist darin zu sehen, daß
sie erst bei einer relativ deutlichen Stromerhöhung gegenüber dem Nennstrom auslösen.
Geringfügige Überschreitungen des Nennstromes haben keine Auswirkungen auf die Sicherungen,
obgleich diese Stromerhöhungen mindestens dann, wenn sie über längere Zeiträume
anstehen, durchaus zu Schäden an der Stromversorgungseinrichtung und an den Verbrauchern
führen können. Zum Erfassen einer relativ niedrigen Stromerhöhung ist es bekannt,
zusätzlich zu den schneller schaltenden Schmelzsicherungen in den Stromkreis zu
den Verbrauchern noch Bimetallschalter oder von Bimetallrelais gesteuerte Schaltmittel
zu legen. Auch diese Sicherungen schützen weder die Stromversorgungseinrichtung
noch die Verbraucher ausreichend, da sie im unteren Bereich ihrer Kennlinie ebenfalls
eine zu träge Charakteristik aufweisen. Gerade in diesem Bereich aber, d.h. bei
drei- bis fünffachem Nennstrom stellen sich die Kurzschlußströme von Generatoren
ein.
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Aus betrieblichen Gründen ist es wünschenswert, einen Kurzschluß möglichst
rasch zu erkennen und durch Auftrennen der Verbindung zwischen der Stromversorgungseinrichtung
und den Verbrauchern unwirksam zu machen.
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Dies gelingt bisher nur durch Verwendung von Leistungsschutz schaltern
mit speziell ausgebildeten elektromagenetischen Kurzschlußschutz-Schnellauslösern.
Diese Schutzschalter liegen im Leistungskreis und sind daher entsprechend groß und
teuer. Ihr Nachteil liegt ferner in einer sehr ungenau definierten Ansprechschwelle,
die einen Einsatz derartiger Geräte in Anlagen mit nach oben hin begrenzten Kurzschlußströmen
nicht immer sinnvoll erscheinen läßt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1 anzugeben, die einen einfachen platzsparenden
und kostengünstigen Kurzschlußschutz erreichbar werden läßt, dabei genügend empfindlich
ist, sowohl für einphasige als auch für mehrphasige Netze verwendbar ist und auch
beim Vorhandensein mehrerer Speiseausgänge im Störungsfall eine selektive Abschaltung
des jeweils gestörten Ausganges ermöglicht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Die Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Schaltung in ihrer Ausführung
für einen dreiphasigen Generatorstromkreis und die Figur 2 mehrere dieser Schaltungen
für die selektive bzw. gemeinsame Abschaltung einzelner Aus speisungen.
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Figur 3 der Zeichnung zeigt einen Generatorstromkreis mit zwei gesonderten
Aus speisungen und einer gemeinsamen Kurzschlußüberwachungsschaltung und Figur 4
eine Zusatzschaltang, die in Verbindung mit der gemeinsamen Uberwachungsschaltung
nach Figur 3 die selektive Abschaltung der beiden Aus speisungen übernimmt.
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Der in Figur 1 dargestellte Generatorstromkreis besteht aus einem
dreiphasigen, beispielsweise von einem Dieselaggregat angetriebenen Generator G1,
den Leitungen L1 bis L3 und N1 und einer nicht dar-
gestellten Last,
die bei A = Ausspeisung an die Leitungen angeschlossen ist. In die Leitungen einbezogen
sind Stromwandler W1 bis W3, über die in bekannter Weise der in den Leitungen L1
bis L3 fließende Strom zu messen ist; hierzu dienen die symbolisch angedeuteten
Strommesser J1 bis J3. Jeder Stromwandler ist sekundärseitig außer auf den zugehörigen
Strommesser auf einen niederohmigen Meßwiderstand R1 ,R2 bzw. R7 geführt, der dazu
dient, einen dem jeweils fließenden Speisestrom proportionalen Spannungsabfall für
eine nachgeschaltete Schaltanordnung bereitzustellen.
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Die Schaltanordnung besteht im wesentlichen aus einem Überstromrelais
S und einer mit diesem in Reihe geschalteten Zenerdiode ZD. Die Schaltanordnung
ist einerseits an den einen Anschluß der drei Meßwiderstände und andererseits über
einen Vorwiderstand RV sowie Entkopplungsdioden D1 bis D3 an den anderen Anschluß
der drei Meßwiderstände angeschlossen.
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Die Entkopplungsdioden D1 bis D3 sind in Sperrichtung der Zehnerdiode
ZD geschaltet. Parallel zu der Reihenschaltung aus Zenerdiode ZD und Relais S ist
ein Kondensator C angeordnet, der zusammen mit dem einstellbaren Vorwiderstand RV
eine definierte Ansprechverzögerung für das Relais S erreichbar werden läßt und
so dafür sorgt, daß nur kurzzeitig auftretende Uberströme, beispielsweise beim Aufschalten
von Verbrauchern, keine Auswirkungen auf die Kurzschlußüberwachungsschaltung haben.
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Bei normal hohem Strom in den Leitungen des Generatorstromkreises
fallen an den Meßwiderständen R1 bis R3 Spannungen ab, die unterhalb der Zenerspannung
der Zenerdiode ZD liegen, d.h. das Relais S ist nicht erregt. Solange dies so ist,
entzieht die Schaltanordnung dem Generatorstromkreis keine Leistung; bei der
einen
Phasenlagedes Speisestromes sperrende Entkopplungsdioden, bei der anderen Phasenlage
die Zenerdiode ZD den Strompfad über das Relais S. Steigt nun der Strom in einer
oder in mehreren Leitungen des Generatorstromkreises unzulässig an, so steigt in
entsprechender Weise der Spannungsabfall an einem oder mehreren der Meßwiderstände
R1 bis R3. Dabei lädt sich über die Entkopplungsdioden Di bis D3 und den Vorwiderstand
RV der Kondensator C auf bis die an seinen Anschlüssen anliegende Spannung schließlich
zum Durchsteuern der Zenerdiode ZD führt. Als Folge hiervon zieht das Relais S an
und veranlaßt damit auf hier nicht näher gezeigte Art und Weise die Abschaltung
eines ebenfalls nicht dargestellten Generatorschützes, das daraufhin seine Schaltkontakte
g , 5 und t öffnet und damit die Last vom Generator abtrennt. Dabei wird das Relais
S stromlos geschaltet; es fällt ab und ist damit erneut bereit für die Kurzschlußüberwachung
des Generatorstromkreises nach erfolgter Wiederanschaltung des Generatorschützes.
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Durch geeignete Dimensionierung der erfindungsgemäßen Schaltung ist
es möglich, für das Relais S sowohl bei einphasigem als auch bei dreiphasigem Kurzschluß
fast die gleiche Anzugsverzögerung zu erreichen. Bei dreiphasigem Kurzschluß steigt
die an den Meßwiderständen anliegende Spannung auf etwa den dreifachen Wert der
Nennspannung, bei einphasigem Kurzschluß auf etwa den fünffachen Wert dieser Spannung.
Die Diodenentkopplung wirkt im ersten Fall als einphasige Einwegschaltung und bei
dreiphasigem Kurzschluß als Einweg-Sternschaltung.
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Durch geeignete Dimensionierung des aus Kondensator C und Vorwiderstand
RV bestehenden Verzögerungsgliedes läßt sich der erfindungsgemäßen Schaltung jede
geeignet
erscheinende Verzögerungszeit zuordnen, d.h. die Schaltung
reagiert erst nach einer vorgegebenen Zeitspanne auf das Vorliegen von Überströmen.
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Zusätzlich zur Kurzschlußüberwachung erfaßt die erfindungsgemäße Schaltung
auch noch den für Stromwandler gefährlichen Zustand des Ausfalls ihrer Bürde. Bei
Ausfall der Bürde gehen der oder die Stromwandler wie beim Kurzschluß im Speisekreis
in die Sättigung und geben dabei die etwa fünffache Spannung bezogen auf die beim
Nennstrom an den Meßwiderständen abfallende Spannung ab. Die Folge davon ist, daß
das Uberstromrelais S dann anzieht und die Abschaltung des Hauptstromkreises eingleitet.
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Die erfindungsgemäße Schaltung reagiert auf deutliche Stromerhöhungen,
die beispielsweise durch Verdopplung oder Verdreifachung des Nennstromes gegeben
sind. Um nun auch weniger deutliche, dafür aber länger anstehende Stromerhöhungen
erfassen zu können, ist in einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung vorgesehen,
die Meßwiderstände, an denen der das Uberstromrelais steuernde Spannungsabfall abgegriffen
wird, als Bimetallrelais auszuführen und über diese Bimetallrelais auf das den Stromkreis
schaltende Schütz mit seinen Kontakten i, 5 und t einzuwirken. Auf diese Weise wird
z.B. der Stromkreis für die Verbraucher aufgetrennt, wenn der Speisestrom über eine
Stunde 10% höher liegt als der Nennstrom.
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Bei der Energieversorgung elektrischer Verbraucher kommt es gelengtlich
vor, daß für bestimmte Verbraucher jeweils gesonderte Speisekreise vorzusehen sind.
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Der Grund hierfür kann beispielsweise in der gemeinsamen Uberwachung
gleichartiger Verbraucher oder auch
in der räumlichen Trennung
der Verbraucher liegen.
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Ferner kann die Bereitstellung verschiedener Speisekreise darin begründet
sein, daß im Störungsfall, beispielsweise bei Netzausfall, von einem Netzersatzaggregat
her mindestens vorübergehend nur bestimmte Verbraucher angeschaltet werden sollen,
die leistungsmäßig von der Notstromversorgung gerade noch verkraftet werden können.
In solchen Fällen ist es wünschenswert, daß im Störungsfall, also bei einem Kurzschluß
in einem der Speisekreise, auch nur der jeweils betroffene Speisekreis abgeschaltet
wird. Wie dies erreichbar ist, ist im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 angegeben.
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Die Figur 2 der Zeichnung zeigt einen Generatorstromkreis mit zwei
getrennten Aus speisungen Ai und A2.
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Für jede Verzweigung des Generatorstromkreises ist eine gesonderte
Schaltung X1 bzw. X2 vorgesehen, die über zugeordnete Stromwandler an die einzelnen
sich verzweigenden Teile des gemeinsamen Speisekreises angekoppelt sind. Der Aufbau
der Schaltungen X1 und X2 entspricht der Schaltung nach Figur 1. Die den beiden
Schaltungen X1 und X2 zugeordneten Ansprechverzögerungen können, müssen jedoch nicht
gleich groß sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die Schaltverzögerung
bei etwa einer Sekunde liegt; dies ist durch ein neben dem betreffenden Überstromrelais
S1 bzw. S2 angegebenes Symbol angedeutet.
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Die beiden Überstromrelais SI und S2 dienen über nicht dargestellte
Schaltschütze zum Auftrennen der jeweils zugeordneten Speisekreise im Kurzschlußfall.Die
Auftrennung erfolgt über Schaltmittel M/1, ß /1 und bzw. ob/2, ß/2 und g/2 von von
den Überstromrelais gesteuerten Schaltschützen.
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Zusätzlich zu den die beiden Aus speisungen selektiv überwachenden
Schaltungen X1 und X2 ist noch eine den Gesamtstromkreis überwachende Schaltung
X vorgesehen.
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Sie dient dazu, Kurzschlüsse zwischen der gemeinsamen Stromversorgungseinrichtung
und den Aus speisungen (zentrale Sammelschiene) zu erfassen und sie übernimmt ferner
den Ausfall schutz für die nachgeordneten Schaltungen X1 und X2. In vorteilhafter
Weise ist die ihr eingeprägte Ansprechzeit größer als die den beiden Schaltungen
X1 und X2 jeweils eingeprägte Schaltzeit.
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Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die gemeinsame Schaltung tatsächlich
nur bei einem Defekt in einer der nachgeordneten Schaltungen oder aber bei einem
Kurzschluß im gemeinsamen Teil des Speisekreises ansprechen kann.
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Durch entsprechend vervielfältigten Einsatz der erfindungsgemäßen
Schaltung läßt sich für beliebig viele Kreise eine sichere Selektivität des Kurzschlußschutzes
erzielen; diese Selektivität wird in der praktischen Anwendung der Erfindung allein
durch den Aufwand hierfür begrenzt.
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Die Selektivität läßt sich jedoch auch ohne entsprechende Vervielfältigung
der erfindungsgemäßen Schaltung erreichen, indem eine für alle Verbraucher gemeinsame
Kurzschlußüberwachungsschaltung über eine Folgeschaltung nacheinander die einzelnen
Verbraucher abschaltet.
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Dieser Vorgang setzt sich so lange fort, bis der jeweils verursachende
Verbraucher abgeschaltet ist, wobei die Kurzschlußüberwachungsschaltung wieder in
ihre Ausgangsstellung gelangt. Spätestens zu diesem Zeitpunkt sind die vor dem Abschalten
des tatsächlich defekten Verbrauchers abgeschalteten übrigen Verbraucher wieder
anzuschalten. Es ist aber auch möglich, beim fortlau-
fenden Abschalten
der Verbraucher mit dem Abschalten eines Verbrauchers den jeweils zuvor abgeschalteten
Verbraucher wieder anzuschalten.
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Wie eine solche Folgeschaltung für einen sich auf zwei Verbraucher
aufteilenden Stromkreis vorteilhaft aussehen könnte, ist in Figur 4 der Zeichnung
dargestellt.
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Für die Erläuterung der Figur 4 ist auf Figur 3 Bezug genommen, in
der die Anordnung der für beide Verbraucherkreise gemeinsamen Kurzschlußüberwachungsschaltung
dargestellt ist.
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Figur 3 entspricht im wesentlichen der Figur 1 mit dem Unterschied,
daß wie in Figur 2 anstelle einer einzigen nunmehr zwei getrennte Aus speisungen
Al und A2 vorgesehen sind und daß die gemeinsame Kurzschlußüberwachungseinrichtung
nicht auf das den Gesamtkreis schaltende Schütz wirkt. Die Schaltmittel «, ß und
t dieses Schützes werden beispielsweise ausschließlich von den in den gemeinsamen
Teil des Speisekreises geschalteten bzw. von dem dort fließenden Strom mittelbar
beeinflußten Bimetallrelais RI bis R3 gesteuert. Über sie erfolgt die Abschaltung
des Speisenetzes bei einem über längere Zeit anhaltenden Uberstrom unterhalb der
Ansprechgrenze der Kurzschlußüberwachungsschaltung.
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Die einzelnen Ausspeisungen Al und A2 sind durch die Kontakte A/2
bis A/4 bzw. B/3 bis B/5 von diesen Aus speisungen zugeordneten Schaltschützen für
sich an-bzw. abschaltbar.Für die gemeinsame Kurzschlußüberwachung der an die Ausspeisungen
Al und A2 angeschlossenen Verbraucher dient eine gemeinsame Kurzschlußüberwachungsschaltung
wie sie in Figur 1 dargestellt ist.
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Hat das Uberstromrelais S der Kurzschlußüberwachungsschaltung angesprochen
und so einen Kurzschluß bei einem der beiden Verbraucherkreise signalisiert, so
wird die in Figur 4 dargestellte Schaltung wirksam, welche den Jeweils gestörten
Verbraucher lokalisiert und abschaltet. Dies erfolgt über die Schalt schütze A und
B, deren Schaltkontakte in Figur 3 in den Stromkreisen der beiden Verbraucher liegen.
Bei ordnungsgerechtem Funktionsverhalten der an die beiden Ausspeisungen angeschlossenen
Verbraucher ist das Uberstromrelais S abgefallen und hat seinen Kontakt S/1 im Speisestromkreis
der beiden Schütze A und B geschlossen.
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In dieser Schaltstellung des Kontaktes S/1 lassen sich die beiden
Schütze durch Betätigen zugeordneter Tastenkontakte TA bzw. TB anschalten. Beim
Anschalten der Schütze schließen u.a. die Kontakte A/1 und 3/1 und schalten dabei
Haltestromkreise für die Schütze.
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Spricht nun die in Figur 1 dargestellte Kurzschlußüberwachungsschaltung
an, so öffnet der Kontakt S/1 des Uberstromrelais S imSpeisestromkreis der Schütze
A und B. Das Schütz A fällt daraufhin ab, während das Schütz B zunächst noch über
sein RC-Glied für eine bestimmte Verzögerungszeit, beispielsweise eine Sekunde,
erregt bleibt. Beim Abfallen des Schützes A wechseln dessen Kontakte, wobei die
Kontakte A/2 bis A/4 die Verbraucher der Ausspeisung Al abschalten, während der
Kontakt A/1 in dem bereits aufgetrennten Haltestromkreis des Schützes ein automatisches
Wiederanschalten des Schützes A bei einem späteren Schließen des Kontaktes S/1 verhindert.
Wenn nämlich die Ursache für das Ansprechen der Kurzschlußüberwachungseinrichtung
bei den abgeschalteten Verbrauchern der Ausspeisung Al zu suchen war, so ist der
Kurzschluß nach dem Abschalten dieser Verbraucher nicht mehr feststell-
bar
und das Uberstromrelais fällt wieder ab. Dabei schließt es seinen Kontakt S/1 im
Speisekreis der beiden Schütze A und B und das Schütz A würde wieder ansprechen,
wenn nicht der Haltestromkreis durch den Schließerkontakt A/1 inzwischen aufgetrennt
wäre.
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Sobald das Uberstromrelais S bei dem angenommenen Kurzschlußfall (Kurzschluß
in der Ausspeisung Al) seinen Kontakt S/1 im Stromkreis der Schütze A und B wieder
schließt, wird das noch über den RC-Kreis erregte Schütz B wieder aus der Versorgungsspannung
U betrieben; es bleibt über seinen Haltekreis angeschaltet und bewirkt damit, daß
die Verbraucher der Ausspeisung A2 über die Kontakte B/3 bis B/5 (Figur 3) vom Generator
her weiter versorgt werden.
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Liegt die Ursache für das Ansprechen des Uberstromrelais S nicht in
der Aus speisung A1 sondern in der Ausspeisung A2, so fällt nach Ablauf der vorgegebenen
Verzögerungszeit auch das Schaltschütz B ab. Damit trennt es zunächst mit seinen
Kontakten B/3 bis B/5 die bislang aufgeschalteten Verbraucher der Ausspeisung A2
vom Generator ab und verhindert über seinen Schliesser B/1, daß das Schütz bei einem
späteren Schließen des Kontaktes S/1 automatisch wieder anziehen kann.
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Wenn nun also der vom Uberstromrelais S registrierte Kurzschluß in
der Aus speisung A2 zu suchen ist, bedeutet dies, daß nach dem Abschalten der dortigen
Verbraucher das Uberstromrelais S abfällt und dabei seinen Kontakt S/1 in Figur
2 wieder schließt. Bei dem angenommenen Störfall (Aus speisung A2 ist mit Kurzschluß
behaftet) können die Verbraucher der Aus speisung Al bedenkenlos wieder an die Stromversorgung
angeschlossen werden. Es ist deshalb in vorteilhafter Weise ein automatisches Wiederanschalten
dieser Verbraucher vorgesehen.Hierzu dient ein Öffnerkontakt B/6 des Schaltschützes
B, wel-
cher beim Abschalten des Schütz es B einen Anschaltstromkreis
für das Schütz A vorbereitet. Ist das Schaltschütz B und anschließend auch das Uberstromrelais
S abgefallen, so zieht beim Schließen des Kontaktes S/1 der Kondensator C des dem
abgeschalteten Schütz B zugeordneten Verzögerungsgliedes RC über eine Entkopplungsdiode
D, den Öffner B/6 des Schützes B und die Wicklung des Schützes A kurzzeitig einen
erheblichen Ladestrom. Dieser Ladestrom ist so bemessen, daß das Schütz A bis oberhalb
seiner Ansprechgrenze erregt wird. Sobald das Schütz A angesprochen hat, schaltet
es sich mit seinem Kontakt A/1 einen Haltestromkreis, der es unabhängig macht von
dem über den Kondensator C fließenden Ladestrom und es schaltet ferner mit seinen
Kontakten A/2 bis A/4 die Verbraucher der nicht gestörten Ausspeisung Al wieder
an. Damit ist nach einer nur geringen Schaltlücke die Stromversorgung für die noch
ordnungsgerecht arbeitende Aus speisung Al wieder hergestellt und die Arbeiten zur
Beseitigung der Störung an der abgeschalteten Aus speisung können beginnen.
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4 Figuren 10 Patentansprüche