Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf
Überstromschutzvorrichtungen und insbesondere auf ein
Erdschlußmodul, das besonders für die Verbindung mit einem
Schutzschalter adaptiert ist, der automatisch ausgelöst wird,
wenn ein Erdschlußstrom erkannt wird.
Stand der Technik
-
Erdschlußzustände führen zu einem Ungleichgewicht bzw. einer
Ungleichheit des Stromflusses von einer Quelle zu und von einem
Verbraucher. Eine Art und Weise der Ermittlung dieses
Ungleichgewichts war es in der Vergangenheit, einen Transformator
mit einer Öffnung bzw. einem "Fenster" zu verwenden, durch
welches die Stromleiter einer Schaltung verlaufen, wobei ein mit
dem Transformator verbundenes Relais jedesmal zur Unterbrechung
des Schaltkreises aktiviert wird, wenn ein Erdschlußzustand
eintritt.
-
Es wurden verschiedene andere Versuche zur Ermittlung von
Erdschlüssen vorgeschlagen, einschließlich der Zusammenschaltung
der Sekundärwicklungen der Phasenstromtransformatoren in eine
Summierschaltung, was zu einer Nulleistung führt, wenn kein
Erdschlußzustand vorhanden ist. Wenn die Addition der
Sekundärwicklungen jedoch nicht null betragt, so besteht ein
Erdschlußzustand und es wurden verschiedene Halbleiter-
Schaltkreistechniken zur Verwendung eines Erdschlußzustands als
Auslösesignal für relaisaktivierte Schutzschalter vorgeschlagen.
-
Industrielle Schutzschalter, die auf Überstromzustande
ansprechen, die von einer Überbelastung bis zu einem Kurzschluß
reichen, sind gängig und weisen zahlreiche Anwendungsgebiete auf.
In vielen dieser Vorrichtungen sind Prüfspitzen enthalten, um
einen Erdschlußzustand abzutasten und um den Schutzschalter zu
aktivieren, wenn solche Erdschlußzustände auftreten.
-
In Fachkunde Elektrotechnik, 10. Auflage, 1974, Seiten 369 und
370, Fig. 370/1, wird ein Summierstromtransformator mit
Primärwicklungen offenbart, die in Reihe mit einem entsprechenden
Stromleiter geschaltet sind und mit einer Sekundärwicklung zur
Ermittlung eines Fehlers und um die Verbindung der Stromleiter
mit dem Schaltkreis zu unterbrechen.
-
In GB-A-2082408 wird ein Erdschluß-Schutzschalter mit einem
kernausgeglichenem Transformator (4) offenbart, wobei die
Primärwicklung mit den Stromleitern eines elektrischen
Verteilungssystems gekoppelt ist und wobei die Sekundärwicklung
zur Ermittlung eines Fehlstroms geschaltet ist. Der
Schutzschalter umfaßt einen Kondensator (5), der durch den
Transformator in von dem Fehlstrom abhängiger Weise geladen wird
und der sich bei dem Erreichen einer bestimmten Ladespannung des
Kondensators durch ein spannungsabhängiges Halbleiterbauteil (7)
stoßweise entlädt, durch die Auslösespule einer
Fehlstrom-Auslösevorrichtung.
-
In US-A-4258403 wird ein Erdschluß-Schaltkreisunterbrecher
offenbart, bei dem die Primärwicklungen SP1-SP3 und SPN durch die
Transfomatoren CT1-CT3 und CTN induktiv mit den Stromleitern L1-
L3 und N gekoppelt sind. Die Stromleiter L1-L3 und N dienen als
die Primärwicklungen für die Transformatoren CT1-CT3 und CTN.
-
In GB-A-1152793 wird eine Erdschluß-Schutzvorrichtung (1) mit
einem Transformator (2) offenbart, der die Sekundärwicklungen (4)
und (5) aufweist und wobei Einwindungs-Primärwicklungen (3) die
Speiseleitungen (6) und (7) des Stromnetzes umfassen. Die
Sekundärwicklung (4) ermittelt einen unausgeglichenen Zustand in
den Speiseleitungen (6) und (7). Die Sekundärwicklung (4) ist mit
einem Verstärker gekoppelt, der bei einem unausgeglichenem
Zustand ein Signal zur Öffnung der Kontakte des Schutzschalters
erzeugt. Die Sekundärwicklung (5) ist mit einem Prüfschalter (41)
verbunden, der im geschlossenen Zustand einen Schaltkreis
vervollständigt, der einen simulierten unausgeglichenen Zustand
bewirkt.
Zusammenfassung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wurde ein Zusatz-Erdschlußsystem entwickelt, das
direkt mit den Eingängen eines herkömmlichen Nebenschluß-Auslöse-
Schutzschalters verbunden werden kann. Das Erdschlußsystem umfaßt
einen Hauptransformator, mit Primärwicklungen, die direkt mit den
Stromleitern verbunden sind, die zu dem zugeordneten
Schutzschalter führen und mit mindestens einer Sekundärwicklung
zur Ermittlung jedes Ungleichgewichts in den Primärwicklungen und
zur Erzeugung einer Ausgabe, wenn die Summe der Eingaben nicht
gleich null ist. Die Ausgabe wird dann von einem elektronischen
Schaltkreis verarbeitet und wird zu der Leistungsquelle zur
Aktivierung eines Nebenschluß-Auslöse-Solenoids des
Schutzschalters.
-
Das System ist auch für die Verwendung in elektrischen Vierdraht-
Systemen ausgerichtet, wobei ein separater Transformator für den
vierten bzw. den neutralen Draht verwendet wird, dessen Ausgang
mit einer Sekundärwicklung verbunden ist und mit den Ausgaben des
Haupttransformatos addiert wird. Eine dritte Sekundärwicklung des
Transformators sorgt für eine Prüffunktion, bei der eine
Prüfspannung angelegt werden kann, die zu einem Stromfluß führt,
der einen Erdschluß simuliert, um in den Primärleitern einen
unausgeglichenen Stromzustand zu bewirken.
-
Genauer sorgt die vorliegende Erfindung für ein
Erdschlußermittlungssystem, mit einem Summiertransformator mit
drei Primärwicklungen, von denen jede für eine Reihenschaltung
mit einem enstsprechenden Stromleiter in einem elektrischen
Verteilungsnetz adaptiert ist; mindestens einer Sekundärwicklung,
wobei jede der genannten Primärwicklungen zur Reihenschaltung mit
einem entsprechenden Leiter des genannten elektrischen Schalters
adaptiert ist, wobei die genannte Sekundärwicklung jedes
Stromungleichgewicht in den drei Primärwicklungen ermittelt;
einem elektronischen Schaltkreis, der mit der genannten
Sekundärwicklung verbunden ist und der für ein Ausgangssignal an
ein Nebenschluß-Auslöse-Solenoid eines zugeordneten elektrischen
Schalters sorgt, wenn die genannte Sekundärwicklung ein
Stromungleichgewicht in den drei Primärwicklungen ermittelt; und
einer Kondensatoreinrichtung, die bis auf eine vorbestimmte
Spannungshöhe aufladbar ist; gekennzeichnet durch einen
Schaltungs-Regelkreis, zum selektiven Ein- und Ausschalten, um so
periodisch eine verhältnismäßig niederohmige Belastung an dem
Summiertransformator anzulegen, um den reinen Stromfluß zu
messen; wobei der genannte Schaltungs-Regelkreis die genannte
Belastung mit dem genannten Transformator koppelt, wenn der
genannte Kondensator auf eine vorbestimmte Spannungshöhe geladen
wird.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
umfaßt der elektronische Schaltkreis einen Spannungsregler, um
sicherzustellen, daß sich die Spannung vor der Messung des
Stromflusses aus dem Summiertransformator auf einer vorbestimmten
Höhe befindet. Wenn der Stromfluß in dem Summiertransformator in
einem vorbestimmten Zeitraum eine bestimmte Höhe überschreitet,
so wird der Stromfluß dazu verwendet, ein Solenoid zu erregen,
welches den Nebenschluß-Auslöser in dem Schutzschalter aktiviert.
-
Der elektronische Schaltkreis kann ferner eine Ansprechschaltung
aufweisen, zur Auslösung eines Signals, um dem
Zeitverzögerungsschaltkreis ein Auslösesignal bereitzustellen und
wobei die Ansprechschaltung dem Solenoid danach Auslöseenergie
bereitstellt. Der Regelkreis kann ferner einen
Beschränkungsschaltkreis aufweisen, zur Bereitstellung eines
Signals an die Schutzschalter, die sich stromaufwärts des
Erdschlußermittlungssystems befinden, um so den dem
Erdschlußermittlungssystem zugeordneten Schutzschalter zu
isolieren.
-
Das Erdschlußermittlungssystem ist ferner so gestaltet, daß des
mit einem elektrischen Dreiphasensystem mit oder ohne Nulleiter
verwendet werden kann. Bei einem System mit Nulleiter ist für den
Nulleiter ein separater Transformator bereitgestellt und der
Nulleiter ist mit einer der Sekundärwicklungen des
Summiertransformators elektrisch verbunden. Jeder Stromfluß in
dem Nulleiter wird zu einer Sekundärwicklung des
Summiertransformators übertragen, der wiederum durch die dem
Regelkreis zugeordnete Sekundärwicklung ermittelt wird.
-
Die Regelkreiseinrichtung kann ferner eine
Prüfschaltereinrichtung aufweisen, die einer der
Sekundärwicklungen des Summiertransformators zugeordnet ist, so
daß eine zugeordnete Spannungsquelle dem Transformator zugeführt
werden kann, um so einen Ungleichgewichtszustand in den
Primärwicklungen zu erzeugen und um einen Erdschlußzustand zu
simulieren.
Kurze Beschreibunga der Zeichnungen
-
Fig. 1 zeigt eine schematische Block-Darstellung des
elektronischen Schaltkreises, der einen Teil des
Erdschlußermittlungssystems bildet;
-
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Zusatzmoduls
und eines zugeordneten Schutzschalters; und
-
Fig. 3 zeigt ein genaues Diagramm des elektronischen
Erdschlußschaltkreises.
Genaue Beschreibung
-
Zwar kann die vorliegende Erfindung in vielen verschiedenen
Ausführungen ausgeführt werden, doch ist in den Zeichnungen ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
welches hierin genau beschrieben wird und zwar in dem
Verständnis, daß die vorliegende Offenbarung als ein Beispiel der
Grundsätze der Erfindung betrachtet werden muß und daß dadurch
der weite Aspekt der Erfindung nicht auf das veranschaulichte
Ausführungsbeispiel beschränkt werden soll.
-
In der Darstellung aus Figur 2 ist ein Zusatzmodul zur
Erdschlußermittlung, das mit der Bezugsnummer (10) bezeichnet
ist, mit einem herkömmlichen Nebenschluß-Auslöse-Schutzschalter
(12) verbunden, der zur Unterbrechung des Schutzschalters in
einem Überbelastungszustand ein Nebenschluß-Auslöser-Solenoid
aufweist. Bei dem Schutzschalter (12) kann es sich um einen von
der Square D Company erhältlichen Typ handeln, welcher zur
Unterbrechung des Schaltkreises zusätzlich zu dem Nebenschluß-
Auslöse-Solenoid (nicht abgebildet) einen Handschalter (14)
aufweist. In herkömmlicher Weise, umfaßt der Schutzschalter
normalerweise drei Stromleiter (A, B und C), welche durch
Eingangsfassungen (nicht abgebildet) des Schutzschalters mit der
AUS-Seite verbunden sind.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das
Zusatzmodul (10) Normansätze (nicht abgebildet) auf, die in den
Eingangsfassungen des Schutzschalters aufgenommen werden und das
Modul (10) weist drei Eingangsanschlüsse (16) auf, zur Aufnahme
der entsprechenden Stromleiter (A, B und C) eines elektrischen
Dreiphasensystems. Das Modul (10) weist eine Mehrzahl von
Verbindungsanschlüssen auf, die in Figur 2 mit den Ziffern 1-8
bezeichnet sind und die mit dem in der Figur 1 veranschaulichten
Schaltkreis verbunden sind.
-
Ein in dem Erdschlußermittlungsmodul (10) integrierter
elektronischer Schaltkreis ist schematisch in Figur 1
dargestellt. Der Schaltkreis umfaßt einen Transformator (T1), der
zur Verbindung mit den drei Wechselstromleitungen (A, B und C)
die Primärwicklungen (N4, N5, N6) aufweist. Der Transformator
(T1) weist drei Sekundärwicklungen (N1, N2 und N3) auf.
-
Die Sekundärwicklung (N3) ist über die Stromleiter (30) und einen
Schalter (32) mit den externen Anschlüssen (7) und (8) des Moduls
(10) verbunden, um eine Prüffunktion bereitzustellen, wie dies
später im Text beschrieben wird. Die Sekundärwicklung (N2) ist
durch die Stromleiter (34) über die Anschlüsse (5) und (6) des
Moduls (10) mit der Sekundärwicklung (36) eines neutralen
Transformators (T2) verbunden. Die Primärwicklungen (N) des
Transformators (T2) sind mit einem Nulleiter (nicht abgebildet)
verbunden. Die erste Sekundärwicklung (N1) wird als Detektor zur
Ermittlung eines Erdschlußzustands in einer der Primärwicklungen
(N4, N5 und N6) oder der neutralen Wicklung (N) verwendet.
-
Die Sekundärwicklung (N1) ist über einen Doppelweg-
Brückengleichrichter (CRI) mit dem elektronischen Schaltkreis
verbunden, der allgemein mit der Bezugsnummer (40) bezeichnet
ist. Der elektronische Schaltkreis (40) umfaßt einen
Spannungsregler (VR), einen Schalter-Regelkreis (43), einen
ersten und zweiten Schalter und zugeordnete Schaltkreise (S1) und
(S2), einen Kondensator (C1), eine Verzögerungsschaltung (50),
eine Ansprechschaltung (52) und einen Ausgangs-
Beschränkungsschaltkreis (54). Die vorstehende
Schaltkreisanordnung ist zwischen die Brücke (CR1) und ein
Nebenschluß-Auslöse-Solenoid (STS) gekoppelt, welches ein Teil
des Schutzschalters (12) ist. Die Gleichrichterbrücke (CR1) ist
über eine Diode (CR2) und den Stromleiter (58) auch mit dem
Auslöse-Solenoid (STS) verbunden.
-
Die verschiedenen Bauteile und funktionellen Ausführungen des
Regelkreises (40) sind in der Figur 3 genauer veranschaulicht. In
Figur 3 ist der Ausgang der Doppelweg-Gleichrichterbrücke (CR1)
über die Diode (CR2) mit dem Schalter-Regelkreis (43) gekoppelt.
Die Diode (CR2) stellt über den Widerstand (R1) eine Verbindung
zu dem Spannungsreglerbauteil (U1) dar und durch die Zuleitung
(L1) zu verschiedenen anderen Bauteilen, wie dies beschrieben
werden wird.
-
Ein Kondensator (C1) ist über den Eingang des Schalter-
Regelkreises (43) geschaltet. Der Eingang des Gleichrichters
(CR1) ist über den Kondensator (C1) eingeprägt und ist Ferner
über die Zenerdiode (21) angelegt und in Reihe mit den
Widerständen (R2) und (R3) des Regelkreises (43) geschaltet. Die
Kathode der Zenerdiode (21) ist mit der Zuleitung (58) verbunden
und ihre Anode ist durch die Reihenwiderstände (R2, R3, R5 und
R6-7) mit der Zuleitung (L1) verbunden. Der Übergang der
Widerstände (R2) und (R3) ist mit dem nicht-invertierenden
Eingangsanschluß (9) des Vergleichers (U2-1) des Schalter-
Regelkreises (43) verbunden und der Übergang der Widerstände (RS)
und (R6-7) ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß (8) des
Vergleichers (U2-1) verbunden. Durch den Widerstand (R6-7) ist
eine Bezugsspannung von dem Spannungsregler (U1) mit dein
Vergleicher (U2-1) gekoppelt.
-
Der Ausgang des Vergleichers (U2-1) ist über die
polaritätsumgekehrte Diode (CR3) mit der Basis eines NPN-
Transistors (Q2) verbunden, der einen Teil des ersten Schalters
(S1)
bildet. Der Schalter (S1) umfaßt den Transistor (Q2), der
einen PNP-Transistor (Q1) ansteuert. Der Emitter des Transistors
(Q2) ist, aus später im Text beschriebenen Gründen, über die
Zuleitung (60) mit dem Ausgang der Brücke (CR1) verbunden. Der
Kollektor des Transistors (Q1) ist mit dem Übergang des
Widerstands (R9) und (R10) gekoppelt.
-
Der Ansprechschaltkreis (52) ist zwischen die Schalter (S1) und
(52) gekoppelt und ferner zwischen den Schalter (S1) und den
Ausgangsbeschränkungsschaltkreis (54) geschaltet. Der Ausgang des
Vergleichers (U2-2) des Ansprechschaltkreises (52) ist über eine
Diode (CR6) mit dem invertierenden Eingang (7) eines zweiten
Vergleichers (U2-3) verbunden. Der Beschränkungsschaltkreis (54)
empfängt von dem Vergleicher (U2-3) ein Freigabesignal und stellt
über einen NPN-Transistor (Q4) ein Ausgangsbeschränkungssignal
bereit, wie dies beschrieben werden wird.
-
Der Kondensator (C4) und der Vergleicher (U2-4) bilden einen Teil
der Zeitverzögerungsschaltung (50), wie dies beschrieben werden
wird.
-
In dem Schaltkreis aus Figur 3 werden dem Übergang der
Widerstände (R5) und (R6-7) ungefähr fünf Volt des
Spannungsreglers (U1) angelegt und somit auch dem invertierenden
Anschluß (8) des Vergleichers (U2-1). Angenommen wird ein
Ladezustand des Kondensators (C1). In diesem Zustand wird an den
nicht-invertierenden Eingang des Vergleichers (U2-1) eine
niedrige Spannung angelegt und die Ausgabe des Vergleichers (U2-
1) ist gering. Wenn der Kondensator (C1) lädt, übersteigt die
Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang (9) des Vergleichers
(U2-1) die Bezugsspannung an dem invertierenden Eingang (8) und
die Ausgabe des Vergleichers (U2-1) wechselt von einer niedrigen
zu einer hohen Ausgangsleistung. Dies ist dann der Fall, wenn die
Spannungsladung an dem Kondensator (C1) eine vorbestimmte Höhe
von etwa 48 Volt erreicht.
-
Als Folge des Veränderungszustands des Vergleichers (U2-1)
wechselt der Transistor (Q2) des Schalters (S1) von einem
nichtleitenden zu einem leitenden Zustand und dadurch wird
bewirkt, daß der Transistor (Q1) des Schalters (S1) von einem
nichtleitenden zu einem leitenden Zustand wechselt. Wenn der
Transistor (Q1) leitet, so wird dem Summiertransformator (Tl)
durch die Zuleitung (60) ein sehr niederohmiger Widerstand
zugeführt. Während der Transistor (Q1) leitet, mißt der
Summiertransformator (T1) genau den reinen Stromfluß. Der Strom
von der Sekundärwicklung (N1) fließt durch den Transistor (Q1)
und den Widerstand (R9) als eine Eingabe zu der Relais-
Ansprechschaltung (52) Die resultierende, über dem Widerstand
(R9) entwickelte Spannung, wird mit dem nicht-invertierenden
Eingang (5) des Vergleichers (U2-2) gekoppelt. Der Kondensator
(C6) und der Widerstand (R10) wirken in Verbindung miteinander
als elektrischer Filter für Hochfrequenzgeräusche.
-
Während dieser Zeit, in welcher der Schaltkreis den Strom mißt,
wird die Leistung dem Schaltkreis durch den Speicherkondensator
(C1) zugeführt. Wenn sich der Kondensator (C1) auf eine
niedrigere Spannung von etwa 44 Volt entlädt, so verändert der
Vergleicher (U2-1) seinen Zustand und dadurch wird bewirkt, daß
der Transistor (Q1) von dem leitenden in einen nichtleitenden
Zustand wechselt. Dadurch wird es erneut möglich, den Kondensator
(C1) wieder auf seine Maximalspannung von 48 Volt zu laden.
-
Es wird hiermit festgestellt, daß sich die Funktionsweise des
Spannungsreglers, umfassend (U1), Widerstand (R1) und Kondensator
(C8) so darstellt, daß dessen Ausgang die geregelte Spannung vor
der Zustandsänderung des Vergleichers (U2-1) und der Transistoren
(Q1) und (Q2) erreicht.
-
Wenn der Wert der Meßsignalspannung, die an dem nicht-
invertierenden Anschluß (5) des Vergleichers (U2-2) des
Ansprechschaltkreises (52) auftritt, die Bezugsspannung
überschreitet, die an dem invertierenden Eingangsanschluß (4) des
Vergleicher (U2-2) auftritt, so ändert sich die Ausgabeleistung
des Vergleichers (U2-2) von einer niedrigen zu einer hohen
Ausgabeleistung. Dies führt zu einer Ladung des Kondensators (C3)
der Beschränkungsschaltung (54). Der Kondensator (C3) wird durch
die Diode (CR6) geladen. Der Kondensator (C3) ist ferner mit dem
invertierenden Eingang des Vergleichers (U2-3) des
Ansprechschaltkreises (52) verbunden und wenn sich der
Kondensator (C3) lädt, so bewirkt dies bei dem Vergleicher (U2-3)
eine Veränderung von einer niedrigen zu einer hohen
Ausgangsleistung. Eine hohe Ausgangsleistung des Vergleichers
(U2-3) bewirkt einen leitenden Zustand des NPN-Transistors (Q4),
um so einem stromaufwärts liegenden Schutzschalter ein
Beschränkungssignal bereitzustellen. Wenn die Ansprech-
Ausgangsleistung des Vergleichers (U2-3) hoch bleibt, so versorgt
der Schaltkreis das Auslöse-Solenoid (STS) am Ende der
Zeitverzögerung mit Auslöseenergie, wie dies nachstehend
beschrieben werden wird.
-
Wenn ein Ansprechen auftritt, so kann sich der Kondensator (C4)
der Zeitverzögerungsschaltung (50) durch den Widerstand (R6-2)
und den Reihenwiderstand (R15) und die Diode (CR8) laden. Der
Kondensator (C4) empfängt ferner von dem über dem Widerstand (R9)
auftretenden Fehlstrom eine Ladungskomponente. Diese Ladung
fließt durch den Widerstand (R14) und die Diode (CR7). Dieser
zweite Stromweg verringert die Zeitverzögerung bei steigendem
Fehlstrom. Die Diode (CR9) begrenzt den Beitrag des Widerstands
(R9) bei sehr hohen Fehlerpegeln. Die Zeitverzögerung wird ferner
durch Einstellung des Werts des Widerstands (R15) verändert. Wenn
das Ansprechsignal hoch bleibt, so ändert sich der Kondensator
(C4) zu der Bezugsspannung, die an dem nicht-invertierenden
Anschlußstift des Vergleichers (U2-4) eingeprägt ist, um für eine
Ausgabe an den Schalter (S2) zu sorgen. Dieses positive
Ausgangssignal des Vergleichers (U2-4) wird über den Widerstand
(R2-3) und die Zuleitung (L3) dem Tor des FET (Q3) zugeführt,
wodurch es von einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand
wechselt. Dadurch kann sich der Kondensator (C1) über das
Auslöse-Solenoid (STS) und das Auslöse-Indikator-Solenoid (TIS)
entladen, was zu einer Auslösung des Schutzschalters führt sowie
zu einer Ereignismeldung der Auslösung.
-
Wenn die Ausgabe des Vergleichers (U2-2) von einem niedrigen
Spannungspegel zu einem hohen Spannungspegel übergeht, so bewirkt
dies eine Veränderung der Ausgabe des Vergleichers (U2-3), was
wiederum dazu führt, daß der Transistor (Q4) leitet. Dadurch wird
ein Signal von fünf Volt über dem Widerstand (R24) der
Beschränkungsschaltung (54) erzeugt. Der Ausgang der
Beschränkungsschaltung (54) stellt somit einem
stromaufwärtsliegendem Schalter jedesmal dann ein
Bezugsspannungssignal bereit, wenn ein Erdschluß ermittelt wird
und wenn das Ansprechvermögen überschritten wird.