DE69828096T2

DE69828096T2 - Schützrelais und Verfahren

Info

Publication number: DE69828096T2
Application number: DE69828096T
Authority: DE
Inventors: Marc Serpinet; Laurent Previeux; Jean-Jacques Favre
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2018-01-28
Also published as: FR2759504A1; EP0859443B1; DE69828096D1; EP0859443A1; US6031703A; FR2759504B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzrelais mit einer Verarbeitungseinheit, die an Meßmittel angeschlossen ist, welche die durch den Stromfluß in elektrischen Leitern bewirkte Erwärmung abbildende Signale liefern, sowie mit Einstellmitteln, die mit der Verarbeitungseinheit verbunden sind und Schutz-Ansprechwerte abbildende Signale liefern.
Bekannte Schutzrelais wie z. B. elektronische Auslöser für Leistungsschalter erlauben die Abschaltung von elektrischen Kontakten zum Schutz einer Installation. Die Auslöser umfassen im allgemeinen Stromwandler, die an eine Schutzfunktionen ausführende Verarbeitungseinheit angeschlossen sind. Die Verarbeitungseinheit steuert ein Auslöserelais an, wenn ein von den Stromwandlern geliefertes Signal über eine bestimmte Zeitdauer einen bestimmten Ansprechwert überschreitet.
Einige Auslöser umfassen mit der Verarbeitungseinheit verbundene Temperaturfühler. Diese Fühler liefern ein Temperatursignal, um bei Auftreten einer unzulässigen Erwärmung im Leistungsschalter die Unterbrechung eines Stroms zu ermöglichen.
Temperaturfühler können auch zur Definition des thermischen Speichers einer Installation verwendet werden. Eine solche in der europäischen Patentschrift EP 0 421 892 B beschriebene Anordnung schlägt eine Simulation der Abkühlung nach dem Abschalten des Leistungsschalterkontakte vor.
In der Druckschrift "DATABASE WPI Section PQ, Week 9404 Derwent Publications Ltd., London, GB; Class Q 14, AN 94-033594 XP002044396 & SU 1 786 585 A (ROST RAIL ENG INST), 7. Januar 1993" wird ein Verfahren zum Schutz der Leiter eines elektrischen Netzes gegen unzulässige Erwärmung beschrieben.
In der Druckschrift "PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 017, no. 152 (E-1340), 25. März 1993 & JP 04 317511 A (MITSUBISHI ELECTRIC CORP), 9. November 1992" ist ein Belastungswächter für eine Übertragungsleitung beschrieben. Der in dieser Druckschrift beschriebene Belastungswächter empfängt Signale eines Umgebungstemperaturfühlers und Signale eines Stromwandlers.
Langzeitverzögerungs-Auslösefunktionen können Temperatursignale verwenden, jedoch sind die Auslöse-Ansprechwerte nicht sehr genau und die Einstellmöglichkeiten für die Zeitverzögerungen beschränkt. Daher kombinieren Auslöser häufig eine sehr genaue Schutzfunktion durch Strommessung mit einer ergänzenden oder redundanten Schutzfunktion durch Temperaturmessung.
Darüber hinaus erlauben die bekannten, Temperatursignale verwendenden Schutzfunktionen keinen Kurzzeitverzögerungsschutz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schutzrelais und ein Schutzverfahren mit Verwendung von Temperatursignalen für verbesserte Auslösefunktionen anzugeben.
Bei einem erfindungsgemäßen Relais umfaßt die Verarbeitungseinheit erste Thermoschutzmittel, die mit ersten Einstellmitteln, welche ein, einen ersten Ansprechwert abbildendes erstes Einstellsignal liefern, sowie mit ersten Meßmitteln verbunden sind, die mit mindestens einem Leiter thermisch in Kontakt stehen und ein, die Temperatur des genannten Leiters abbildendes erstes Signal liefern, wobei die genannten ersten Schutzmittel ein Auslösesignal liefern, wenn ein die Änderung des ersten Temperatursignals abbildender Wert einen Wert übersteigt, der das, den ersten Ansprechwert abbildende erste Einstellsignal abbildet.
Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung umfaßt die Verarbeitungseinheit zweite Thermoschutzmittel die mit zweiten Einstellmitteln, welche ein, einen zweiten Ansprechwert abbildendes zweites Einstellsignal liefern, mit den ersten Meßmitteln sowie mit zweiten Meßmitteln verbunden sind, welche entfernt von den zu schützenden Leitern angeordnet sind und ein, eine Umgebungstemperatur abbildendes zweites Temperatursignal liefern, wobei die genannten zweiten Schutzmittel ein Auslösesignal liefern, wenn ein die Temperaturdifferenz zwischen dem von den ersten Meßmitteln gelieferten ersten Temperaturwert und dem von den zweiten Meßmitteln gelieferten zweiten Temperaturwert einen Wert übersteigt, der das, den zweiten Ansprechwert abbildende zweite Einstellsignal abbildet.
Die zweiten Schutzmittel umfassen vorzugsweise Mittel zur Bestimmung einer, eine Temperaturdifferenz abbildenden Größe mit an die ersten Meßmittel und die zweiten Meßmittel angeschlossenen Eingängen sowie einem Ausgang, der den die Differenz zwischen dem von den ersten Meßmitteln gelieferten ersten Temperaturwert und dem von den zweiten Meßmitteln gelieferten zweiten Temperaturwert abbildenden Wert liefert.
Nach einer Ausführungsvariante sind die ersten Schutzmittel mit dem Ausgang der Mittel zur Bestimmung einer eine Temperaturdifferenz abbildenden Größe verbunden.
Nach einer besonderen Ausgestaltung umfaßt die Verarbeitungseinheit dritte Thermoschutzmittel, die mit den ersten Meßmitteln verbunden sind und ein Auslösesignal liefern, wenn ein Wert, der die von den ersten Mitteln gelieferte Temperatur abbildet, einen bestimmten dritten Ansprechwert übersteigt.
Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Verarbeitungseinheit Korrekturmittel mit Eingängen, die mit den ersten Einstellmitteln, mit den zweiten Einstellmitteln sowie mit Mitteln zur Bestimmung einer, eine Temperaturdifferenz abbildenden Größe verbunden sind, sowie mit einem Ausgang, der mit den ersten Thermoschutzmitteln verbunden ist, wobei die genannten Korrekturmittel das, einen ersten Ansprechwert abbildende erste Einstellsignal in Abhängigkeit vom Wert des zweiten Ansprechwerts und von dem eine Temperaturdifferenz abbildenden Wert verändern.
Nach einer zweiten Weiterbildung der Erfindung umfassen die ersten Thermoschutzmittel Differentialrechenmittel, die mit einem Eingangssignal beaufschlagt werden, welches das von den ersten Meßmitteln gelieferte Temperatursignal abbildet, und die ein Ausgangssignal liefern, das die Änderung des Eingangssignals abbildet.
Die Differentialrechenmittel umfassen vorzugsweise ein mit dem Eingangssignal beaufschlagtes Abtastglied, einen mit dem Abtastglied verbundenen Pufferspeicher zur Speicherung einer bestimmten Anzahl von letzten Abtastwerten, einen mit dem Puffer verbundenen und den Wert eines niederwertigsten gespeicherten Abtastwerts liefernden Minimumdetektor sowie Differenzberechnungsmittel mit Eingängen, die mit der Abtastschaltung und mit dem Minimumdetektor verbunden sind, sowie mit einem Ausgang, der das Ausgangssignal liefert, welches die Differenz zwischen dem letzten Abtastwert und dem kleinsten Wert der letzten gespeicherten Abtastwerte abbildet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfaßt:

– eine Stufe zur Messung der Temperatur mindestens eines Leiters,
– eine Stufe zur Berechnung der Temperaturänderung in mindestens einem Leiter,
– eine Stufe zur Steuerung der Auslösung in Abhängigkeit vom Wert der genannten Temperaturänderung.

Eine Weiterbildung des Verfahrens umfaßt:

– eine Stufe zur Messung einer Umgebungstemperatur,
– eine Stufe zur Berechnung der Differenz zwischen dem Wert der Temperatur mindestens eines Leiters und Umgebungstemperaturwerten sowie
– eine Stufe zur Steuerung der Auslösung in Abhängigkeit vom Wert der Temperaturdifferenz.

Zum besseren Verständnis sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
1 ein Blockschaltbild eines bekannten Schutzrelais;
2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schutzrelais';
3 und 4 jeweils ein Blockschaltbild einer Verarbeitungseinheit eines erfindungsgemäßen Relais;
5 Korrekturmittel zum möglichen Einsatz in erfindungsgemäßen Relais;
6 Mittel zur Differenzberechnung zum möglichen Einsatz in erfindungsgemäßen Relais;
7 ein Funktionsablaufdiagramm einer Verarbeitungseinheit eines erfindungsgemäßen Relais';
8a bis 8d die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Relais' abbildende Signale.
Ein in 1 dargestelltes Relais bekannter Bauart umfaßt eine Verarbeitungseinheit 1, die mit Einstellmitteln 2a und 2b, Stromwandlern 3a und 3b sowie einem Auslöserelais 4 verbunden ist. Die Stromwandler sind um Hauptleiter 5 eines zu schützenden Leitungsnetzes 6 geführt.
In Reihe zu den Hauptleitern 5 geschaltete Kontakte 7 werden zur Abschaltung durch das Auslöserelais angesteuert. Übersteigt ein von den Wandlern geliefertes Stromsignal bestimmte, durch die Einstellmittel vorgegebene Ansprech- und Zeitverzögerungswerte, steuert die Verarbeitungseinheit das Relais 4 an, um die Abschaltung der Kontakte 7 und die Unterbrechung eines Stroms I im Leitungsnetz 6 zu bewirken.
Ist das Schutzrelais als, insbesondere in einem Leistungsschalter installierter Auslöser ausgebildet, liefert ein Temperaturfühler 8 ein die Erwärmung des genannten Leistungsschalters abbildendes Signal. Mit dem Temperaturfühler und einem Referenzwertgeber 10 verbundene Vergleichsmittel 9 steuern das Auslöserelais an, wenn das Temperatursignal einen vom Referenzwertgeber 10 gelieferten Ansprechwert übersteigt.
Bei der in 1 gezeigten Schaltung ist eine Schutzfunktion durch Strommessung mit einer Schutzfunktion durch Temperaturmessung kombiniert. Die Schutzfunktion durch Temperaturmessung wird dabei im wesentlichen zum Schutz des Leistungsschalters verwendet.
Bei bekannten Auslösern kann die Schutzfunktion durch Temperaturmessung weder für langzeitverzögerte thermische Auslösefunktionen noch für kurzzeitverzögerte Auslösefunktionen verwendet werden.
Darüber hinaus werden die meisten Schutzrelais mit Strommessung in Wechselspannungsnetzen eingesetzt. Um in allen Netzarten eingesetzt werden zu können, müssen bekannte Schutzrelais komplexe und aufwendige Stromwandler umfassen.
Bei einem erfindungsgemäßen Schutzrelais können die Schutzfunktionen durch Temperaturmessung für Langzeitverzögerungs- und Kurzzeitverzögerungs-Schutzfunktionen in Gleichspannungs- und Wechselspannungsnetzen verwendet werden.
Der Schaltungsaufbau eines Schutzrelais nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist in 2 dargestellt. In diesem Schaltungsaufbau ist das Schutzrelais in einem Leistungsschalter mit Eingangsklemmen 11 und Ausgangsklemmen 12 installiert, die zum Anschluß von Leitern eines Leitungsnetzes dienen. Zwischen den Eingangsklemmen und den Ausgangsklemmen sind Hauptleiter 5 in Reihe mit Kontakten 7 geschaltet.
Bei dieser Ausgestaltung sind den Hauptleitern 5 zugeordnete Temperaturfühler 13a und 13b mit der Verarbeitungseinheit 1 verbunden. Die Fühler liefern Temperaturen jedes Leiters abbildende Signale T1 und T2 und gewährleisten gleichzeitig eine galvanische Trennung zwischen den genannten Leitern und dem Schutzrelais.
Die Verarbeitungseinheit 1 des Schutzrelais umfaßt für jeden Leiter eine Schutzfunktionsgruppe. Eine erste Schutzfunktionsgruppe 14a verarbeitet die vom Fühler 13a zugeführten Signale und eine zweite Funktionsgruppe 14b die Signale des Fühlers 13b.
Ein mit der Verarbeitungseinheit 1 verbundener Temperaturfühler 15 liefert eine Umgebungstemperatur Ta abbildende Signale an die Auslösefunktionen der Funktionsgruppen 14a und 14b. Der Fühler 15 ist entfernt von den Leitern installiert. Ist der Fühler 15 in einem Leistungsschalter installiert, kann er an der Vorderseite angeordnet werden.
Einstellmittel 2c und 2d liefern Signale an die Auslösefunktionen, die Ansprechwerte für den Langzeitverzögerungsschutz bzw. für den Kurzzeitverzögerungsschutz abbilden.
Jede Auslösefunktionsgruppe umfaßt eine Kurzzeitverzögerungs-Schutzschaltung 16, die mit einem von einem Fühler, beispielsweise dem Fühler 13a gelieferten Temperatursignal T1 sowie mit einem vom Einstellmittel 2d gelieferten Signal für den Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwert S3 beaufschlagt wird.
Die Kurzzeitverzögerungs-Schutzschaltung 16 liefert über ein Gatter 20 einen Auslösebefehl, wenn die Änderung des Temperatursignals den Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwert S3 übersteigt. Die Änderung des Temperatursignals kann durch Bildung der Ableitung des Temperatursignals T1 nach der Zeit bestimmt werden.
Die Langzeitverzögerungs-Auslösefunktion wird durch eine Schutzschaltung 17 realisiert, die mit dem, von einem den Leitern zugeordneten Temperaturfühler gelieferten Temperatursignal T1, einem vom Einstellmittel 2s gelieferten Signal für den Langzeitverzögerungs-Ansprechwert S2 sowie einem vom Temperaturfühler 15 gelieferten Umgebungstemperatursignal Ta beaufschlagt wird.
Die Langzeitverzögerungs-Schutzschaltung 17 liefert über das Gatter 20 einen Auslösebefehl an das Relais, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur eines Leiters 5 und der Umgebungstemperatur einen Ansprechwert des Einstellmittels 2c für den Langzeitverzögerungsschutz übersteigt. Zur Ausführung dieser Langzeitverzögerungs-Schutzfunktion berechnet die Schaltung 17 die Differenz zwischen den von den Fühlern 13a bzw. 15 gelieferten Signalen T1 und Ta und vergleicht anschließend diese Differenz mit dem vom Einstellmittel 2c gelieferten Ansprechwertsignal S2.
Mit Hilfe einer dritten Auslösefunktion können die Leiter 5 gegen eine unzulässige Temperaturerhöhung geschützt werden. Diese Funktion wird durch eine Schutzschaltung 18 gewährleistet, die mit dem, dem Leiter zugeordneten Temperaturfühler 13a verbunden ist. Diese Schaltung beaufschlagt das Relais 4 über das Gatter 20 mit einen Auslösebefehl, wenn das Temperatursignal T1 einen bestimmten Ansprechwert S1 überschreitet.
Die Funktionsgruppe 14b ist hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise mit der oben beschriebenen Gruppe 14a identisch. Das Temperatursignal des der Funktionsgruppe 14b zugeordneten Leiters wird über den Temperaturfühler 13b geliefert.
3 zeigt das Blockschaltbild einer Verarbeitungseinheit, in der die von den Fühlern 13a und 13b gelieferten Temperatursignale gruppenweise verarbeitet werden. Bei dieser Verarbeitungseinheit erlauben die Maximumdetektoren eine Verringerung der Gesamtzahl der Schaltungen.
Die Verarbeitungseinheit aus 3 umfaßt einen Maximumdetektor 21, der mit den Fühlern 13a und 13b verbunden ist und an einem Ausgang ein Signal liefert, das den Maximalwert der von den genannten Fühlern gelieferten Temperaturwerte T1 und T2 abbildet. Ein Komparator 22 ist mit dem Ausgang des Maximumdetektors 21 und einem, den Auslöse-Ansprechwert S1 liefernden Referenzwertgeber 23 verbunden. Überschreitet eine der Temperaturen T1 oder T2 den Wert des Ansprechwerts S1, sendet der Komparator 23 über das Gatter 20 ein Auslösesignal an das Relais 4.
Für die Langzeitverzögerungs-Auslösefunktionen umfaßt die Verarbeitungseinheit eine mit den Fühlern 13a und 15 verbundene erste Differenzberechnungsschaltung, eine mit den Fühlern 13b und 15 verbundene zweite Differenzberechnungsschaltung und einen mit Ausgängen der ersten bzw. der zweiten Differenzberechnungsschaltung 24a und 24b verbundenen zweiten Maximumdetektor 25. Ein Komparator 26 umfaßt einen mit einem Ausgang des Detektors 25 verbundenen ersten Eingang sowie einen zweiten Eingang, welcher mit dem ein Signal für den Langzeitverzögerungs-Ansprechwert S2 liefernden Einstellmittel 2c verbunden ist.
Die Schaltung 24a berechnet eine Temperaturdifferenz DT1 zwischen dem vom Fühler 13a gelieferten Temperaturwert T1 und dem vom Fühler 15 gelieferten Umgebungstemperaturwert Ta. Die Schaltung 24b berechnet eine Temperaturdifferenz DT2 zwischen dem vom Fühler 13b gelieferten Temperaturwert T2 und dem Wert von Ta. Somit entspricht DT1 der Differenz T1 – Ta und DT2 der Differenz T2 – Ta. DT1 und DT2 werden den Eingängen des Detektors 25 zugeführt. Überschreitet einer der Werte DT1 oder DT2 den Ansprechwert S1, sendet der Komparator 26 über das Gatter 20 ein Auslösesignal an das Relais 4.
Für die Kurzzeitverzögerungs-Auslösefunktionen umfaßt die Verarbeitungseinheit eine erste Schaltung 27a und eine zweite Schaltung 27b zur Berechnung der Temperaturänderung. Die Temperaturänderung wird durch Bildung der Ableitung der von den Fühlern 13a und 13b gelieferten Temperatursignale nach der Zeit berechnet. Die mit dem ersten Fühler 13a verbundene Schaltung 27a berechnet eine Änderung dT1/dt der Temperatur T1 in Abhängigkeit von der Zeit dt, und die mit dem Fühler 13b verbundene Schaltung 27b eine Änderung dT2/dt der Temperatur T2. Die Ausgänge jeder Schaltung 27a bzw. 27b sind mit Eingängen eines dritten Maximumdetektors 28 verbunden. Ein Komparator 29 umfaßt einen mit einem Ausgang des Detektors 28 verbundenen ersten Eingang sowie einen zweiten Eingang, welcher mit dem ein Signal für den Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwert S3 liefernden Einstellmittel 2d verbunden ist.
Der Detektor 28 liefert den Maximalwert der Änderungen dT1/dt bzw. dT2/dt an den Komparator 29. Überschreitet eine der Änderungen T1(dT1/dt) oder T2(dT2/dt) den Ansprechwert S3, beaufschlagt der Komparator 29 über das Gatter 20 das Relais 4 mit einem Auslösesignal.
4 zeigt eine andere Ausgestaltung einer Verarbeitungseinheit eines erfindungsgemäßen Relais. In diesem Schaltungsaufbau wurden die Schaltungen 27a und 27b durch andere Schaltungen 30a und 30b zur Änderungsberechnung ersetzt. Die Schaltung 30a umfaßt einen mit dem Ausgang der Schaltung 24a verbundenen Eingang, und die Schaltung 30b umfaßt einen mit dem Ausgang der Schaltung 24b verbundenen Eingang. Ausgänge jeder Schaltung 30a bzw. 30b sind mit den Eingängen des dritten Maximumdetektors 28 verbunden.
Bei dieser Ausgestaltung verwenden die Änderungsberechnungsschaltungen 30a und 30b die Temperaturdifferenzwerte DT1 bzw. DT2. Fließt ein Überlaststrom oder Kurzschlußstrom über den genannten Leiter, ändert sich die Umgebungstemperatur langsamer als die Temperatur eines Leiters. Daher unterscheidet sich die Berechnung der Änderung d(T – Ta)/dt bzw. d(T2 – Ta)/dt einer die Temperaturdifferenz DT1 bzw. DT2 abbildenden Größe nur wenig von der Berechnung der Änderung d(T1)/dt bzw. d(T2)/dt der Temperatur T1 bzw. T2 des Leiters.
Die Berechnung der Änderung d(T1 – Ta)/dt bzw. d(T2 – Ta)/dt erfolgt jedoch mit niedrigeren Werten (T1 – Ta < T1 und T2 – Ta < T2) und erlaubt eine höhere Genauigkeit der Berechnung. Des weiteren erfolgt die Berechnung aufgrund der niedrigeren Werte schneller und benötigt weniger Speicherkapazität, wenn die beschriebenen Funktionen durch programmierte Schaltungen ausgeführt werden.
Die Temperaturabweichungen zwischen der Temperatur eines Leiters und der Umgebungstemperatur eines Leistungsschalters sind nicht proportional zum Strom, der über den genannten Leiter fließt. Um dieses nichtlineare Verhältnis zu berücksichtigen, muß das einen Ansprechwert für den Langzeitverzögerungsschutz liefernde Einstellmittel 2c vorzugsweise Signale liefern, welche die Erwärmung abbilden, die ein am genannten Einstellmittel 2c eingestellter Stromwert erzeugt. Liefert das Einstellmittel Strom abbildende Signale, so wandelt eine Umsetzschaltung 31 die einen Strom abbildenden Signale S2a in eine Erwärmung abbildende Signale S2b um. Bei der in 5 gezeigten Anordnung ist die Umsetzschaltung 31 zwischen das Einstellmittel 2c und den Komparator geschaltet. Bei dieser Schaltungsanordnung vergleicht der Komparator das von der Schaltung 24a gelieferte Temperaturdifferenzsignal DT1 mit dem korrigierten Ansprechwertsignal S2b.
Tritt ein Überlast- oder Kurzschlußstrom in einem kalten elektrischen Leiter auf, sind die Temperaturänderungen stärker als die Temperaturänderungen an einem bereits erwärmten Leiter. Um bei Auftreten eines elektrischen Fehlers die Ausgangssituation des Leistungsschalters zu berücksichtigen, umfaßt die Verarbeitungseinheit eine Korrekturschaltung 32.
Dies führt dazu, daß bei einem durch das Einstellmittel 2c vorgegebenen Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwert das an den Komparator gelieferte Signal für den Auslöseansprechwert S3 bei einem kaltem Leiter höher und bei einem warmem Leiter niedriger ist.
Bei der in 5 gezeigten Schaltungsanordnung ist eine Korrekturschaltung 32 zwischen den Eingang des Komparators 29, der mit dem Ansprechwert für eine kurzzeitverzögerte Auslösung in Abhängigkeit von der Temperaturänderung beaufschlagt wird, und dem Einstellmittel 2d geschaltet. Außerdem ist die Schaltung 32 mit der Schaltung 31 verbunden, um ein den Langzeitverzögerungs-Ansprechwert abbildendes Signal, beispielsweise S2B zu erhalten, und mit der Schaltung 24a verbunden, um Signale zu erhalten, die Temperaturen des Leiters T1 und die Umgebungstemperatur Ta abbilden. Auf diese Weise erhält die Korrekturschaltung 32 vom Einstellmittel 2d ein Ansprechwertsignal S3a und liefert ein korrigiertes Ansprechwertsignal S3b an den Komparator. Die Korrektur erfolgt in Abhängigkeit vom Langzeitverzögerungs-Ansprechwert und von der Temperatur des Leiters. Die Verwendung der Umgebungstemperatur Ta und der Temperaturdifferenz T1 – Ta verbessert die Genauigkeit der Korrektur.
Gemäß anderen Ausgestaltungen kann die Korrekturschaltung direkt mit dem Einstellmittel 2c verbunden werden, um den Langzeitverzögerungs-Ansprechwert aufzunehmen, sowie mit dem Fühler 13a bzw. 13b verbunden werden, um den Temperaturwert der Leiter zu erhalten.
6 zeigt eine Ausgestaltung einer Änderungsberechnungsschaltung 27a. Dieser Schaltungsaufbau kann für die Schaltungen 27b, 30a und 30b identisch sein. Die Änderungsberechnungsschaltung umfaßt am Eingang ein Abtastglied 33 zur Abtastung des Eingangssignals. Eine mit einem Ausgang des Abtastglieds verbundene Speicherschaltung 34 speichert eine bestimmte Anzahl von letzten Signal-Abtastwerten. Eine Minimum-Erfassungsschaltung 35 ist mit der Speicherschaltung verbunden. Diese Schaltung 35 liefert an ihrem Ausgang den niederwertigsten Wert der zuletzt gespeicherten Abtastwerte. Anschließend berechnet eine Berechnungsschaltung 36 mit einem, an das Abtastglied angeschlossenen ersten Eingang und einem an die Schaltung 35 angeschlossenen zweiten Eingang die Differenz zwischen dem vom Abtastglied gelieferten Wert eines Abtastwerts T1t und dem niederwertigsten Wert T1min der letzten gespeicherten Abtastwerte.
Bei dieser Ausgestaltung erlaubt die Schaltung 27a eine größere Meßdynamik sowie eine größere Genauigkeit bei sehr kleinen Temperaturänderungen. Beträgt z. B. die Anzahl der gespeicherten Abtastwerte 10, kann nach zehn Abtastwerten eine langsame Temperaturänderung mit Genauigkeit detektiert werden, da die Abweichung zwischen dem ersten und dem zehnten Abtastwert größer ist als die Abweichung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten. Schnelle Änderungen werden sofort bei den ersten Abtastwerten erkannt, da die Abweichung entsprechend groß ist. So erlaubt der Kurzzeitverzögerungsschutz bei hohen Strömen in den Leitern eine schnelle Auslösung.
Die Auslösefunktionen werden vorzugsweise in programmierter Form durch Mikroprozessoren oder Mikrocontroller ausgeführt. Ein in 7 dargestelltes Ablaufdiagramm zeigt Schutzverfahren, die in einem erfindungsgemäßen Relais zum Einsatz kommen können.
Während einer Initialisierungsphase tastet die Verarbeitungseinheit die Werte der Temperatursignale T1, T2, Ta (Schritt 37) ab und liest die Ansprechwerte S2 und S3 zur Bestimmung der Werte der Langzeitverzögerungs-Ansprechwerte SLR und der Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwerte SCR ein (Schritt 38).
Anschließend werden in jedem Arbeitszyklus die Temperaturwerte T1, T2 Ta abgetastet (Schritt 39) und die letzten Abtastwerte von T1 und T2 in einem Schritt 40 gespeichert. Danach kann in einem Schritt 41 ein Zähler die Anzahl der Verarbeitungsvorgänge des Kurzzeitverzögerungsschutzes im Verhältnis zur Anzahl der Verarbeitungsvorgänge des Langzeitverzögerungsschutzes zählen. So können mehr Verarbeitungsvorgänge des Kurzzeitverzögerungsschutzes als Verarbeitungsvorgänge des Langzeitverzögerungsschutzes vorliegen und die kurzzeitverzögerte Auslösung bei hohen Strömen beschleunigen.
Während der Verarbeitung der thermischen Langzeitverzögerungs-Schutzfunktionen werden in einem Schritt 42 die Temperaturdifferenzen DT1 = T1 – Ta und DT2 = T2 – Ta berechnet. Anschließend werden in einem Schritt 43 die Langzeitverzögerungs-Ansprechwerte SLR und die Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwerte SCR berechnet. Die Ansprechwerte werden in jeder Langzeitverzögerungsschleife berechnet, da sich die Einstellwerte der Einstellmittel 2c und 2d ebenso wie die Anfangstemperaturen der Leiter ändern können. In einem Schritt 44 wird ein Maximalwert DT der Temperaturdifferenzen DT1 und DT2 erfaßt. Anschließend wird in einem Schritt 45 ein Alarm abgesetzt, wenn der Maximalwert DT einen Ansprechwert überschreitet, der dem Langzeitverzögerungs-Ansprechwert SLR proportional ist, wenn also beispielsweise DT größer ist als 0,95 SLR.
Am Ende der Verarbeitungsfolge des Langzeitverzögerungsschutzes (Schritt 46) wird der Maximalwert DT der Temperaturdifferenz mit dem Langzeitverzögerungs-Ansprechwert (SLR) verglichen. Ist DT größer als SLR, wird in einem letzten Schritt 49 ein Auslösebefehl an das Relais 4 erteilt. Im entgegengesetzten Fall erlaubt ein Schritt 47 die Fortsetzung der Verarbeitung und die Ausführung der Kurzzeitverzögerungsfunktion.
In einem Schritt 47 berechnet die Verarbeitungseinheit die Änderungen d(T1)/dt und d(T2)/dt der Leitertemperaturwerte und ermittelt aus den beiden Änderungswerten einen Maximalwert d(T)/dt. Die Berechnung kann wie in der Schaltung aus 6 durch Verwendung des letzten Abtastwerts T1t und des kleinsten Wertes der im Schritt 40 gespeicherten letzten Abtastwerte erfolgen.
Danach wird in einem Schritt 48 der Maximalwert d(T)/dt der Änderungen mit dem Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwert SCR verglichen. Ist d(T)/dt größer als SCR, wird in Schritt 49 ein Auslösebefehl erteilt. Andernfalls kehrt die Verarbeitung zu Schritt 39 mit Erfassung von Abtastwerten der Temperaturwerte T1, T2 et Ta und anschließender Speicherung in Schritt 40 zurück.
Ist in Schritt 41 eine Verarbeitung der Langzeitverzögerungsfunktionen nicht erforderlich, verzweigt die Verarbeitung zu Schritt 47. Der Zähler kann beispielsweise in Schritt 41 die Verarbeitung der Langzeitverzögerungsfunktionen anstoßen, wenn er die Kurzzeitverzögerungsfunktionen achtmal ausgeführt hat.
Die 8a bis 8d veranschaulichen die Funktionsweise eines Schutzrelais nach einer Ausgestaltung der Erfindung. Das Diagramm aus 8a zeigt einen Strom I, der über einen Leiter 5 des Leitungsnetzes fließt. Die Kurve in 8b zeigt die durch den Stromfluß I bewirkte Differenz zwischen der Temperatur eines Leiters und der Umgebungstemperatur DT1 = (T1 – Ta). Die Kurve aus 8c zeigt die Temperaturänderung d(T1)/dt des Leiters entsprechend der Ableitung der Temperatur T1 nach der Zeit. 8d schließlich zeigt die an das Relais 4 gesandten Auslösebefehle COM4.
Zum Zeitpunkt t1 beginnt der Strom I zu fließen. Sein Wert liegt unterhalb eines Ansprechwerts ISRL, bei dem ein Schutzrelais nicht die Auslösung der Abschaltung eines Leistungsschalters bewirken darf. Die Temperaturdifferenz DT1(T1 – Ta) ist anfänglich gering, steigt danach an und stabilisiert sich bei einem Wert unterhalb eines thermischen Langzeitverzögerungs-Auslöse-Ansprechwerts SLR. Die Änderung d(T1)/dt ist anfänglich groß und nimmt anschließend nach Stabilisierung der Temperatur ab.
Zu einem Zeitpunkt t2 überschreitet der Strom I den Ansprechwert ISRL. Die Temperaturdifferenz DT1 steigt an und überschreitet zu einem Zeitpunkt t3 den Ansprechwert SLR. Das Auslöserelais wird mit einem Steuerbefehl COM4 beaufschlagt, um den Strom I zu unterbrechen. Anschließend nimmt die Temperaturdifferenz DT1 ab, da der Strom nicht mehr über den Leiter fließt.
Danach beginnt der Strom I zu einem Zeitpunkt t4 erneut zu fließen, und die Temperaturdifferenz DT1 nimmt zu. Zu einem Zeitpunkt t5 steigt der Strom an und überschreitet den Ansprechwert ISCR, die Temperaturdifferenz DT1 steigt infolgedessen schneller an, und die Änderung von T1(d(T1)/dt) ist sehr steil. Zu einem Zeitpunkt t6 überschreitet die Änderung d(T1)/dt den Kurzzeitverzögerungs-Auslöse-Ansprechwert SCR, und es wird ein Auslösebefehl COM4 an das Relais 4 gesandt.
In 8c zeigt eine, einen Ansprechwert S3 abbildende Kurve eine mögliche Korrektur des Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwerts in Abhängigkeit vom Wert der Temperatur T1 des Leiters.
Die beschriebenen und in den 2, 3 und 4 dargestellten Ausgestaltungen eignen sich besonders für Gleichspannungsnetze mit einem Leiter für die positive Polarität und einem Leiter für die negative Polarität. Allerdings ist die Erfindung auch auf Schutzrelais anwendbar, die bei Wechselspannung arbeiten und einen oder mehrere geschützte Pole für Einphasen- oder Dreiphasennetze umfassen.
Die in den Figuren beschriebene Verarbeitungseinheit umfaßt zwei Auslösefunktionsgruppen, von denen jede einem Leiter zugeordnet ist. Allerdings ist die Erfindung auch bei einer anderen Anzahl von Funktionsgruppen, beispielsweise drei oder vier anwendbar. Darüber hinaus ist es möglich, mehrere Temperaturfühler pro zu schützendem Leiter zu verwenden.
Die für die Verarbeitungseinheit verwendeten Schaltungen können als analoge, digitale oder programmierte Schaltungen ausgebildet sein. Die Temperaturfühler sind vorzugsweise als Halbleiterelemente ausgebildet, jedoch sind auch andere Bauarten wie Thermistoren oder Thermoelemente denkbar.

Claims

Schutzrelais mit einer Verarbeitungseinheit (1), die an Meßmittel angeschlossen ist, welche die durch den Stromfluß (I) in elektrischen Leitern (5) bewirkte Erwärmung abbildende Signale liefern, sowie mit Einstellmitteln (2a–2d), die mit der Verarbeitungseinheit verbunden sind und Schutz-Ansprechwerte abbildende Signale liefern, welches Schutzrelais dadurch gekennzeichnet ist, daß die Verarbeitungseinheit erste Thermoschutzmittel (16, 27a, 27b, 28, 29, 30a, 30b, 47, 48) umfaßt, die mit ersten Einstellmitteln (2d), welche ein, einen ersten Ansprechwert abbildendes erstes Einstellsignal (S3) liefern, sowie mit ersten Meßmitteln (13a, 13b) verbunden sind, die mit mindestens einem Leiter (5) thermisch in Kontakt stehen und ein, die Temperatur des genannten Leiters abbildendes erstes Signal (T1, T2) liefern, wobei die genannten ersten Schutzmittel ein Auslösesignal liefern, wenn ein die Änderung (d(T1)/dt, d(T2)/dt) des ersten Temperatursignals abbildender Wert einen Wert übersteigt, der das, den ersten Ansprechwert abbildende erste Einstellsignal (S3, S3b, SCR) abbildet.
Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit zweite Thermoschutzmittel (17, 24a, 24b, 25, 26, 42, 44, 46) umfaßt, die mit zweiten Einstellmitteln (2c), welche ein, einen zweiten Ansprechwert abbildendes zweites Einstellsignal (S2) liefern, mit den ersten Meßmitteln (13a, 13b) sowie mit zweiten Meßmitteln (15) verbunden sind, die entfernt von den zu schützenden Leitern angeordnet sind und ein, eine Umgebungstemperatur abbildendes zweites Temperatursignal (Ta) liefern, wobei die genannten zweiten Schutzmittel ein Auslösesignal liefern, wenn ein die Temperaturdifferenz (DT1, (T1 – Ta), DT2, (T2 – Ta)) zwischen dem von den ersten Meßmitteln gelieferten ersten Temperaturwert (T1, T2) und dem von den zweiten Meßmitteln gelieferten zweiten Temperaturwert (Ta) einen Wert (S2, S2b, SLR) übersteigt, der das, den zweiten Ansprechwert abbildende zweite Einstellsignal abbildet.
Schutzrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schutzmittel Mittel (24a, 24b) zur Bestimmung einer, eine Temperaturdifferenz abbildenden Größe (DT1, DT2) mit an die ersten und die zweiten Meßmittel (13a, 13b, 15) angeschlossenen Eingängen sowie einem Ausgang umfassen, der den die Differenz zwischen dem von den ersten Meßmitteln gelieferten ersten Temperaturwert (T1, T2) und dem von den zweiten Meßmitteln gelieferten zweiten Temperaturwert (Ta) abbildenden Wert ((T1 – Ta), (T2 – Ta)) liefert.
Schutzrelais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schutzmittel (30a, 30b) mit dem Ausgang der Mittel (24a, 24b) zur Bestimmung einer eine Temperaturdifferenz abbildenden Größe verbunden sind.
Schutzrelais nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit dritte Thermoschutzmittel umfaßt, die mit den ersten Meßmitteln (13a, 13b) verbunden sind und ein Auslösesignal liefern, wenn ein Wert, der die von den ersten Mitteln gelieferte Temperatur (T1, T2) abbildet, einen bestimmten dritten Ansprechwert (S1) übersteigt.
Schutzrelais nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit Korrekturmittel (32) umfaßt mit Eingängen, die mit den ersten Einstellmitteln (2d), mit den zweiten Einstellmitteln (2c) sowie mit Mitteln (24a, 24b) zur Bestimmung einer, eine Temperaturdifferenz abbildenden Größe verbunden sind, sowie mit einem Ausgang, der mit den ersten Thermoschutzmitteln verbunden ist, wobei die genannten Korrekturmittel das erste, einen ersten Ansprechwert abbildende Einstellsignal (S3, S3a, S3b) in Abhängigkeit vom Wert des zweiten Ansprechwerts und von dem eine Temperaturdifferenz abbildenden Wert verändern.
Schutzrelais nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Thermoschutzmittel (16) Differentialrechenmittel (27a, 27b, 30a, 30b, 47) umfassen, die mit einem Eingangssignal beaufschlagt werden, welches das von den ersten Meßmitteln (13a, 13b) gelieferte Temperatursignal (T1, T2) abbildet, und ein Ausgangssignal (d(T1)/dt, d(T2)/dt) liefern, das die Änderung des Eingangssignals abbildet.
Schutzrelais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialrechenmittel (27a, 27b, 30a, 30b) ein mit dem Eingangssignal beaufschlagtes Abtastglied (33), einen mit dem Abtastglied verbundenen Pufferspeicher (34) zur Speicherung einer bestimmten Anzahl von letzten Abtastwerten, einen mit dem Puffer verbundenen und den Wert eines niederwertigsten gespeicherten Abtastwerts liefernden Minimumdetektor (35) sowie Differenzberechnungsmittel (36) umfassen mit Eingängen, die mit dem Abtastglied und mit dem Minimumdetektor verbunden sind, sowie mit einem Ausgang, der das Ausgangssignal (d(T1)/dt, d(T2)/dt) liefert, welches die Differenz zwischen dem letzten Abtastwert und dem kleinsten Wert der letzten gespeicherten Abtastwerte abbildet.
Thermoschutzverfahren zum Einsatz in einem, nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, ausgeführten Relais, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren – eine Stufe (37, 39) zur Messung der Temperatur mindestens eines Leiters, – eine Stufe (47) zur Berechnung der Temperaturänderung in mindestens einem Leiter und – eine Stufe (48) zur Steuerung der Auslösung in Abhängigkeit vom Wert der genannten Temperaturänderung umfaßt.
Thermoschutzverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es – eine Stufe (37, 39) zur Messung einer Umgebungstemperatur, – eine Stufe (42) zur Berechnung der Differenz zwischen dem Wert der Temperatur mindestens eines Leiters und Umgebungstemperaturwerten sowie – eine Stufe (46) zur Steuerung der Auslösung in Abhängigkeit vom Wert der Temperaturdifferenz umfaßt.