DE4033444A1 - Ueberstrom-schutzeinrichtung fuer mittels notstromversorgungen gespeiste netze - Google Patents
Ueberstrom-schutzeinrichtung fuer mittels notstromversorgungen gespeiste netzeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Überstrom-Schutzeinrichtung
für mittels Notstromversorgungen speisbare Gleich- und/
oder Wechselspannungsnetze mit einem im abzusichernden
Verbraucherstrang des Netzes angeordneten Unterbrechungs
element.
Für den Schutz von Leitungen und Verbrauchern werden in
der Niederspannungstechnik fast ausschließlich
Schmelzsicherungen als Unterbrechungselemente eingesetzt,
die im Falle eines Überstromes den jeweiligen Strang des
Netzes unterbrechen. Die ordnungsgemäße Funktion einer
Schmelzsicherung setzt jedoch voraus, daß im Fehlerfall
ein genügend großer Fehlerstrom von der Einspeisestelle
geliefert wird, damit die dem Schmelzintegral der Sicherung
entsprechende Energie zum Abschmelzen des
Sicherungselementes ausreicht. Bei Verbrauchersträngen,
die mittels Drehstrom- oder Wechselstromnetzen gespeist
werden, kann im allgemeinen davon ausgegangen werden, daß
ein entsprechend hoher Kurzschlußstrom zur Verfügung steht,
um ein Abschmelzen der Sicherung zu gewährleisten.
Bei Netzen mit geringer Kurzschlußleistung bestehen jedoch
Probleme, im Fehlerfall genügend Energie bereitzustellen,
um die herkömmliche Schmelzsicherung innerhalb der
geforderten Zeit zum Ansprechen zu bringen.
Netze mit geringer Kurzschlußleistung haben in der letzten
Zeit an Bedeutung zugenommen. Hervorzuheben sind hier
Notstromnetze, die dazu dienen, die daran angeschlossenen
Verbraucher auch dann noch zu speisen, wenn die normale
aus dem Drehstrom- oder Wechselstromnetz zur Verfügung
gestellte Spannungsversorgung nicht mehr vorhanden ist.
Notstromnetze haben stark an Bedeutung gewonnen nicht nur
im Krankenhausbereich sondern auch zur Absicherung der
Spannungsversorgung von Datenverarbeitungsanlagen oder
Verkehrsleitsystemen. Die Versorgung von Notstromnetzen
erfolgt über Batteriepuffer, deren Gleichspannung über
DC-DC-Wandler, rotierende Umformer oder statische
Wechselrichter in die erforderliche Gleich- oder
Wechselspannung umgesetzt werden.
Die genannten Stromrichter zeichnen sich dadurch aus, daß
sie eine sehr schnelle Strombegrenzung im Kurzschlußfall
bewirken, um die angeschlossenen elektronischen Bauelemente
vor Überlast zu schützen. Im Bezug auf in den Verbraucher
strängen angeordnete Schmelzsicherungen hat dies jedoch den
Nachteil, daß die erforderlichen Kurzschlußströme zum
Abschmelzen der Sicherung häufig nicht ausreichen.
Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde in einigen Fällen
vorgeschlagen, den Nennwert der Schmelzsicherung zu
reduzieren, damit die Sicherung auch bei niedrigerer
Schmelzenergie anspricht. Dies hat jedoch den großen
Nachteil, daß es bereits im Normalbetrieb zum Durchschmelzen
der Sicherung kommen kann.
In einer anderen Lösung wird vorgeschlagen, im Falle eines
Kurzschlusses eine Entladung einer Kondensatorbatterie in
den fehlerhaften Verbraucherstrang vorzunehmen, um hierdurch
die zum Abschmelzen der Sicherung fehlende
Kurzschlußleistung zu ergänzen. Der hierzu erforderliche
elektronische und finanzielle Aufwand ist jedoch
vergleichsweise hoch.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Überstrom-Schutzeinrichtung der eingangs genannten Art zu
schaffen, die mit geringem Aufwand eine sichere
Unterbrechung des fehlerhaften Verbraucherstranges auch bei
geringen zur Verfügung gestellten Kurzschlußströmen
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
Unterbrechungselement mittels einer mit einem voreinstell
baren Sollwert für den Strangstrom beaufschlagbaren
Vergleicherschaltung, der eine den Istwert des Strangstromes
erfassende Meßeinrichtung vorgeordnet ist, abschaltbar ist.
Gemäß der Erfindung wird durch eine ständige Strommessung im
Verbraucherstrang der Anstieg des Stromes über den
zulässigen Betriebsstrom erfaßt und das
Unterbrechungselement so angesteuert, daß es unmittelbar den
Stromfluß zu dem fehlerbehafteten Verbraucher unterbricht,
wenn der Istwert den Sollwert des Strangstromes
überschreitet. Eine solche Überstrom-Schutzeinrichtung ist
universell verwendbar, da durch die variable vergebbare
Einstellung des Sollwertes für die Vergleicherschaltung eine
Anpassung an jeden gewünschten abzusichernden Strangstrom
möglich ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird
erreicht, daß der Stromfluß unterbrochen wird, unabhängig
davon wieviel Kurzschlußleistung im Fehlerfall geliefert
wird. Der Ansprechwert der Schutzeinrichtung sowie die
Auslösezeit sind mittels einfacher elektronischer
Hilfsmittel einstellbar, so daß zum einen der Fehler
ausreichend schnell abgeschaltet wird, zum anderen aber der
Kostenaufwand in erträglichen Grenzen gehalten wird.
Vorzugsweise ist das Unterbrechungselement ein von der
Vergleicherschaltung gesteuerter Halbleiterschalter. Hierbei
handelt es sich um gängige Bauelemente der Leistungs
elektronik, die entsprechend kostengünstig einsetzbar sind.
Eine besonders schnelle Abschaltung ergibt sich, wenn der
Halbleiterschalter ein Triac ist, während bei einer
Gestaltung des Halbleiterschalters als Thyristor eine
besonders kostengünstige Lösung verwirklicht ist.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Meßvorrichtung
parallel zu den Anschlüssen einer im Stromstrang
vorgesehenen herkömmlichen Schmelzsicherung angeschlossen
ist. Dann läßt sich die erfindungsgemäße
Überstrom-Schutzeinrichtung derart mit einer herkömmlichen
Schutzeinrichtung kombinieren, daß die Schmelzsicherung für
den Normalbetrieb wirksam ist, während die elektronische
Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung eine Absicherung im
Notstrombetrieb gewährleistet. Bei dieser Ausführungsform
wirkt die Schmelzsicherung, an die die Meßeinrichtung
angeschlossen ist, zudem als Shunt zur Erzeugung des
Meßwertes für den Strom.
Dadurch, daß Meßvorrichtung, Vergleicherschaltung und
Unterbrechungselement gemäß einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung eine bauliche Einheit bilden können, deren
geometrische Abmessungen denen einer herkömmlichen
NH-Sicherung entsprechen, läßt sich die erfindungsgemäße
Schutzeinrichtung einfach gegen bestehende
Schmelzsicherungen austauschen bzw. ergänzen. Somit ist auch
eine Nachrüstung in bestehenden Netzen möglich, die
nachträglich auf Notstrombetrieb umgerüstet werden.
Wenn die Spannungsversorgung der Meßeinrichtung über eine
Trockenbatterie oder einen Kondensator erfolgt, ist diese
netzunabhängig. Bezüglich der Wahl des Einbauortes der
Schutzeinrichtung ergibt sich hierdurch eine erhöhte
Flexibilität, da Versorgungsleitungen entfallen können.
Wenn der Vergleicherschaltung ein Zustandsmelder zugeordnet
ist, mittels dessen die Überschreitung des vorgegebenen
Sollwertes für den Strangstrom anzeigbar ist, läßt sich
durch die Bedienungsperson auf den ersten Blick erkennen, in
welchem Strang die Sicherung angesprochen hat. Das ist
insbesondere für komplizierte Netzwerke sinnvoll, um somit
einen raschen Überblick über die Position fehlerhafter
Verbraucher zu gewinnen.
Wenn bei Netzen mit mehreren neben- oder untergeordneten
Verbrauchersträngen jedem Verbraucherstrang eine
Überstrom-Schutzeinrichtung zugeordnet ist, deren
vorgegebener Sollwert jeweils mit dem im entsprechenden
Verbraucherstrang zulässigen Strom korrespondiert, ergibt
sich eine gute Selektivität bezüglich der bei einem Fehler
abgeschalteten Verbraucherstränge. Wird beispielsweise bei
einem Netz, welches Stromkreise mit 25 A, 16 A und 10 A
zulässigem Strom enthält, in einem untergeordneten Strompfad
mit 10 A ein Fehler entstehen, so gewährleistet die
beschriebene Ausführungsform der Erfindung, daß nur in
diesem Zweig die Schutzeinrichtung anspricht, während in den
übrigen nebengeordneten und übergeordneten Strängen, die
vom Fehler nicht betroffen sind, der Stromfluß nicht
unterbrochen wird. Diese Maßnahme ermöglicht zum einen eine
gezielte Fehlerdiagnose zum anderen aber auch eine schnelle
Fehlerkorrektur.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer zwei
Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigen
Fig. 1 ein erstes Blockschaltbild für ein Notstromnetz,
Fig. 2 ein zweites Blockschaltbild für ein Notstromnetz,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im
Zusammenhang mit dem Notstromnetz gemäß Fig. 1,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung im
Zusammenhang mit dem Notstromnetz nach Fig. 2,
Fig. 5 ein Strom-/Zeitdiagramm zur Erläuterung der
Erfindung und
Fig. 6 die Zeit-/Stromcharakteristik verschiedener
Schutzeinrichtungen im Vergleich.
Das in Fig. 1 dargestellte Notstromnetz verfügt zunächst
über eine 220 V Gleichspannungsebene 1, welche batterie
gepuffert ist, so daß die entsprechende Gleichspannung zur
Verfügung steht, wenn das allgemeine Versorgungsnetz
ausfällt.
Über einen DC-DC-Wandler 2 wird die 220 V Gleichspannung in
eine 24 V Gleichspannung heruntertransformiert, so daß die
Gleichspannung von 24 V an der Versorgungsschiene 3a für
verschiedene Verbraucher zur Verfügung steht. Der rechte in
Fig. 1 dargestellte Verbraucherzweig besteht aus einer
Reihenschaltung aus einer eine herkömmliche
Schmelzsicherung 5 mit einem Nennstrom INenn=20A
enthaltenden Überstrom-Schutzeinrichtung 9a und einem
Verbraucher 4 für einen Betriebsstrom IB=10A. Parallel
hierzu ist ein nicht mehr spezifizierter Verbraucher (linker
Stromstrang) dargestellt, welcher einen Strom von I=30A
aus dem 24 V Gleichstromnetz entnimmt.
Die in Fig. 1 mit 9a bezeichnete Überstrom-Schutzein
richtung ist in der zugehörigen Fig. 3 im Detail
dargestellt.
In Reihe zur Schmelzsicherung 5 ist ein Thyristor 8a
angeordnet, welcher als Unterbrechungselement für den im
Strang fließenden Strom I2 dient. Der Gate-Anschluß des
Thyristors 8a wird von einer Vergleicherschaltung 7a
angesteuert, der über einen externen Anschluß ein Sollwert
ISoll vorgegeben werden kann und deren Eingangsklemmen
ferner mit den Ausgangsanschlüssen einer Meßeinrichtung 6
für den im Strang fließenden Strom I2 verbunden ist. Die
Messung des Strangstromes erfolgt parallel zur
Schmelzsicherung 5.
Das in Fig. 2 dargestellte Notstromnetz unterscheidet sich
von dem in Fig. 1 dargestellten lediglich dadurch, daß an
Stelle eines 24 V Gleichstromnetzes ein 220 V
Wechselstromnetz im Notstrombetrieb aufrechterhalten werden
soll. Hierzu ist das batteriegepufferte Notstromnetz 1 über
einen DC-AC-Umrichter mit dem Verbrauchernetz 3b verbunden,
wobei die am Netz 3b anliegenden Verbraucher denjenigen
entsprechen, welche auch am Netz 3a (Fig. 1) angeschlossen
sind.
Ein weiterer Unterschied der zweiten Ausführungsvariante der
Erfindung besteht darin, daß unter Bezugnahme auf Fig. 4
das Unterbrechungselement für den Strangstrom I2 ein Triac
8b ist, dessen Gateelektroden wiederum von der
Vergleicherschaltung 7 gesteuert werden.
Die Funktionsweise der Erfindung wird im folgenden parallel
für beide dargestellten Ausführungsbeispiele näher
erläutert.
Im Normalfall liefert der DC-DC-Wandler 2a bzw. der DC-AC-
Umrichter 2b einen Betriebsstrom I1=40A, welcher sich
entsprechend den beiden Verbrauchern in zwei Stromstränge
von 30 A (linker Strang) bzw. 10 A (rechter Strang)
aufteilt. Der im rechten Strang fließende Strangstrom I2 ist
über die Schmelzsicherung 5 mit einem Nennstrom von 20 A
abgesichert.
Wenn nun im rechten Stromstrang ein Defekt auftritt, durch
den der Strom I2 von seinem in Fig. 5 dargestellten
Normalbetriebsniveau von 10 A auf einen hohen Strom
ansteigen will, so bewirkt die Strombegrenzung in den
Umrichtern 2a bzw. 2b, daß der durch die Umrichter
gelieferte Strom I1 nur auf einen Maximalwert von 65 A
(oberes rechtes Niveau von Strom I1 in Fig. 5) ansteigen
kann, so daß sich entsprechend ein Verbraucherstrom I2 von
35 A einstellt (unteres rechtes Niveau von Fig. 5 von I2).
Nach Auftreten des Fehlers fließen also wie dargestellt die
konstanten, dem jeweiligen oberen Niveau entsprechenden
Ströme I1, I2.
Der zeitliche Verlauf des Stromes I2 (t) ist in Fig. 6
dargestellt gemeinsam mit den Kennlinien (a1) bzw. (a2)
einer herkömmlichen flinken (a1) bzw. trägen (a2)
Schmelzsicherung mit einem Nennstrom von 20 A und (b) der
erfindungsgemäßen Überstrom-Schutzeinrichtung.
Die Kennlinien (a1) bzw. (a2) der Schmelzsicherung zeigen,
daß die Sicherung nur dann abschmilzt, wenn entweder sehr
hohe, d. h. sehr weit über dem Nennstrom der Sicherung
liegende Stromwerte in sehr kurzen Zeiten (z. B. kleiner als
0,01 Sekunden) erreicht werden oder der Nennstrom von 20 A
über eine Zeitdauer von mehreren Sekunden fließt. Wie aus
Fig. 6 hervorgeht, wird bei einem Fehler, wie er
obenstehend dargestellt wurde, die Schmelzsicherung nicht
ansprechen, weil die Kurzschlußstrombegrenzung durch die
Umrichter 2a bzw. 2b verhindert, daß der für das Abschmelzen
der Sicherung notwendige Strom erreicht wird.
Allenfalls wird die Schmelzsicherung erst nach einer
vergleichsweisen langen Zeitdauer durchschmelzen, wodurch
jedoch zuvor bei den Verbrauchern entsprechender Schaden
eintreten kann. Die obenstehenden Effekte treten dabei
sowohl bei trägen als auch bei flinken herkömmlichen
Sicherungen ein.
Demgegenüber hat die erfindungsgemäße
Überstrom-Schutzeinrichtung, wie sie allgemein durch die
Bezugszeichen 9a bzw. 9b in den Fig. 3 bzw. 4 dargestellt
wurde, die in Fig. 6 gezeigte Kennlinie (b). Der im Strang
fließende Strom I2 wird ständig an den Meßpunkten parallel
zur Abschmelzsicherung 5 von der Meßeinrichtung 6 erfaßt und
von der Vergleicherschaltung 7 mit dem dieser vorgegebenen
Sollwert für den Strom verglichen. Wenn nun, wie im in Fig.
6 dargestellten Beispiel der Sollwert ISoll auf 25 A
eingestellt wurde, schaltet der Thyristor 8a bzw. das Triac
8b nach einer bauelementebedingten Ansprechzeit von weniger
als 0,01 Sekunden schlagartig ab, so daß der Strom I2
unterbrochen wird. Der Ansprechwert von 25A der
elektronischen Sicherung entspricht einer Schmelzsicherung
mit einem Nennwert von 20A.
Das Ansprechen der elektronischen
Überstrom-Schutzeinrichtung, wie sie Gegenstand der
Erfindung ist, erfolgt also - abgesehen von der geringen
bauelementebedingten Verzögerungszeit - unmittelbar,
wodurch der Stromfluß zu dem fehlerbehafteten Verbraucher
unterbrochen wird, bevor ein größerer Schaden eintritt.
Somit erfolgt also auch für solche Fälle ein zuverlässiges
Ansprechen der Schutzeinrichtung, in denen der
Kurzschlußstrom im Fehlerfall beispielsweise durch
elektronische Umrichter begrenzt ist.
Die beschriebene erfindungsgemäße
Überstrom-Schutzeinrichtung eignet sich wie dargestellt
sowohl zur Absicherung von Gleichspannungs- als auch von
quasistationären Vorgängen in Wechselspannungsnetzen.
Der Ansprechwert jeder Sicherung ist ebenso wie die
Auslösezeit frei einstellbar, so daß eine einfache Anpassung
an die Netzbedingungen möglich ist.
Im Ausführungsbeispiel wurde dargestellt, daß die
Strommeßeinrichtung 6 parallel zu den Anschlußklemmen der
Abschmelzsicherung 5 angeordnet ist. Somit ist erkennbar,
daß zwei separate Sicherungseinrichtungen parallel
geschaltet sind, deren Wirkungen sich positiv ergänzen.
Während die herkömmliche Schmelzsicherung im normalen
Netzbetrieb von Vorteil ist, wirkt sich die erfindungsgemäße
elektronische Schutzeinrichtung vor allem dann aus, wenn von
Netzbetrieb auf Notstrombetrieb umgeschaltet worden ist, da
dann die Kurzschlußstrombegrenzung der Umrichter 2a bzw. 2b
wirksam wird.
Es ist aber auch denkbar, auf die Abschmelzsicherung 5 im
Stromstrang völlig zu verzichten, so daß die Absicherung
alleine durch die elektronische Schutzeinrichtung gemäß der
Erfindung erfolgt.
Dann ist es von besonderem Vorteil, wenn die geometrischen
und konstruktiven Abmessungen der elektronischen
Schutzeinrichtung denen einer herkömmlichen NH-Sicherung
entsprechen, so daß beide Sicherungen lediglich
gegeneinander ausgetauscht werden müssen, was ohne großen
Aufwand möglich ist.
Der Vorteil des strom- und zeitgenauen Ansprechens der
Schutzeinrichtung wirkt sich insbesondere bei hierarchisch
aufgebauten Netzen aus, die beispielsweise aus Stromebenen
von 10, 16, 25 A bestehen. Tritt in einem hierarchisch
untergeordneten Strompfad von 10 A Nennstrom ein Fehler auf,
so bewirkt die elektronische Schutzeinrichtung in diesem
Stromstrang ein unmittelbares Ansprechen, ohne daß auf die
Stromwerte in den übergeordneten Stromsträngen rückgewirkt
wird. Es wird also nur derjenige Stromstrang selektiv
abgeschaltet, in dem der tatsächliche Fehler vorliegt.
Claims (9)
1. Überstrom-Schutzeinrichtung für mittels
Notstromversorgungen (1) speisbare Gleich- und/oder
Wechselspannungsnetze (3a, 3b) mit einem im abzusichernden
Stromstrang des Netzes (3a, 3b) angeordneten Unterbrechungs
element,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Unterbrechungselement (8a, 8b) mittels einer mit einem
voreinstellbaren Sollwert für den Strangstrom beaufschlag
baren Vergleicherschaltung (7), der eine den Istwert (I2)
des Strangstromes erfassende Meßeinrichtung (6) vorgeordnet
ist, abschaltbar ist.
2. Überstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Unterbrechungselement (8a, 8b) ein von der
Vergleicherschaltung (7) steuerbarer Halbleiterschalter
ist.
3. Überstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Halbleiterschalter ein Thyristor (8a) ist.
4. Überstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Halbleiterschalter ein Triac (8b) ist.
5. Überstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Meßvorrichtung (6) parallel zu den Klemmen einer im
abzusicherenden Stromstrang angeordneten Schmelzsicherung
(5) angeordnet ist.
6. Überstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
Meßvorrichtung (6), Vergleicherschaltung (7) und
Unterbrechungselement (8a, 8b) eine bauliche Einheit
bilden, deren geometrische Abmessungen denen einer
herkömmlichen NH-Sicherung entsprechen.
7. Überstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Versorgungsspannung der Meßeinrichtung (6) durch eine
Trockenbatterie oder einen Kondensator lieferbar ist.
8. Überstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Vergleicherschaltung (7) ein Zustandsmelder zugeordnet ist,
mittels dessen die Überschreitung des vorgegebenen
Sollwertes für den Strangstrom anzeigbar ist.
9. Überstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß bei
Netzen mit mehreren neben- oder untergeordneten
Verbrauchersträngen jedem Verbraucherstrang mindestens
eine Überstrom-Schutzeinrichtung (9a, 9b) zugeordnet ist,
deren vorgebbarer Sollwert jeweils mit dem im entsprechenden
Verbraucherstrang zulässigen Strom korrespondiert.
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