Erdschluß-Uberwachungseinrichtung für Elektrolyse-Anlagen In Elektrolyse-Anlagen,
beispielsweise zur Aluminiumerzeugung, ist es üblich, eine größere Anzahl von Elektrolysebädern
hintereinanderzuschalten. Dabei ist die Spannung des einzelnen Bades nur sehr klein,
andererseits erreichen die Bäderströme beträchtliche Werte. Der Betrieb geht dabei
so vor sich, daß die Stromstärke durch Regelung der Speisespannung auf einem konstanten
Wert gehalten wird. Die Eigenart des Elektrolysebetriebes macht es erforderlich,
daß an den spannungführenden Bäderzellen gearbeitet wird. Es ist daher notwendig,
die Berührungsspannung so niedrig wie möglich zu halten und ein Ansteigen der Berührungsspannung
über den unvermeidbaren Mindestwert zu verhindern. Man könnte daran denken, den
Mittelpunkt der Bäderreihe fest zu erden. Dann würde aber folgendes eintreten: Bei
einem Erdschluß in der einen Hälfte des Bades verringert sich der Gesamtwiderstand,
wodurch sich die Spannung in der anderen Hälfte erhöht, und zwar im ungünstigsten
Fall auf den doppelten Wert. Durch die Stromkonstanthaltung wird die Spannung zwar
sofort herabgesetzt, so daß die geschilderte Spannungserhöhung nur vorübergehend
ist. Über die ungewollte Erdschlußstelle fließt aber unter Umständen der gesamte
Badestrom, der während der Zeit des Regelvorgangs sogar noch größer als normal sein
kann. Diese hohen Umgehungsströme können eine Wärmewirkung auslösen, welche nicht
nur das Bedienungspersonal, sondern auch einzelne Bäderzellen gefährdet. Von einer
festen Erdung des Bades muß daher abgesehen werden, und man begnügt sich
mit
einer Erdschlußüberwachung, wobei- man bemüht ist, die Mitte der Bäderreihe möglichst
auf Erdpotential zu halten. Für die Erdschlußüberwachung von Elektrolyseanlagen
sind zwei verschiedene Schaltungen üblich. Man kann entweder parallel zu der Bäderreihe
einen Widerstand schalten, dessen Mittelpunkt geerdet wird, und auf diese Weise
einen künstlichen Nullpunkt schaffen oder statt dessen den Mittelpunkt der Bäderreihe
über einen Strombegrenzungswiderstand erden. Bei beiden Schaltungen entsteht in
der Mitte der Bäderreihe eine Stelle mit Erdpotential, sofern die Isolation der
Bäder einwandfrei ist. Bei der erstgenannten Schaltung geben die Spannungen an den
beiden Hälften des geerdeten Parallelwiderstandes und im zweiten Fall der über die
Erdverbindung fließende Strom ein Abbild des Isolationszustandes der Bäderreihe.Earth fault monitoring device for electrolysis systems In electrolysis systems,
for example for aluminum production, it is common to use a large number of electrolysis baths
to be connected in series. The tension of the individual bath is only very small,
on the other hand, the bath currents reach considerable values. The operation goes with it
so in front of you that the current intensity by regulating the supply voltage on a constant
Value is held. The nature of the electrolysis operation makes it necessary
that work is being carried out on the live bath cells. It is therefore necessary
Keeping the touch voltage as low as possible and increasing the touch voltage
beyond the unavoidable minimum value. One could think of that
Firmly ground the center of the row of baths. But then the following would occur: At
an earth fault in one half of the bath reduces the total resistance,
which increases the tension in the other half, in the worst case
Fall to double that value. By keeping the current constant, the voltage is
immediately reduced, so that the voltage increase described is only temporary
is. Under certain circumstances, however, the entire circuit flows through the unwanted earth fault
Bath current, which will be even greater than normal during the control process
can. These high bypass currents can trigger a thermal effect, which cannot
only the operating personnel, but also individual bathroom cells are at risk. From one
Solid grounding of the bath must therefore be dispensed with, and one is content
with
an earth fault monitoring, whereby efforts are made to keep the middle of the row of baths as possible
to keep at ground potential. For earth fault monitoring in electrolysis systems
two different circuits are common. You can either parallel to the row of baths
switch a resistor, the center of which is grounded, and in this way
create an artificial zero point or, instead, the center of the row of baths
Ground via a current limiting resistor. Both circuits produce in
in the middle of the row of baths a point with earth potential, provided that the insulation of the
Bathrooms is impeccable. In the first-mentioned circuit, the voltages are applied to the
two halves of the grounded parallel resistor and in the second case that via the
Earth connection, current flowing is an image of the insulation status of the row of baths.
Soll nun die Erdschlußüberwachung sich nicht auf eine Meßinstrumentenanzeige
beschränken, sondern beim Auftreten eines Erdschlusses auch eine akustische oder
optische Meldung gegeben werden, so müssen in den Hilfsstromkreisen Relais angeordnet
werden. An diese Relais werden dann aber, wenn schon eine geringe Potentialverschiebung
des Endungspunktes, wie sie etwa der Spannung einer Badzelle entspricht; gemeldet
werden soll, Anforderungen gestellt, die mit normalen Relais nicht erfüllt werden
können. Betrachtet man einmal den Fall, daß durch Parallelwiderstände mit Mittelpunkterdung
"zu der Bäderreihe ein künstlicher Nullpunkt geschaffen ist und daß parallel zu
.den Widerstandshälften Relais liegen, so ergibt sich folgendes Bild: An den Relais
liegt bei normalem Isolationszustand die halbe Badspannung. Setzt man unter Zugrundelegung
praktischer Verhältnisse voraus, daß i 6o Zellen mit je etwa 5 Volt Klemmenspannung
in Reihe geschaltet sind, so liegen an jedem Relais 400 Volt. Verschiebt sich nun
infolge eines Erdschlusses die Spannung der einen Radhälfte um 5 oder ro'Volt, so
bedeutet das, daß das Relais schon bei einer Spannungssteigerung von i1/4 bzw. 21/2
ansprechen muß. Andererseits muß es aber bei einem Erd'schluß am Ende eines Bades
Soo Volt, also -die doppelte Ansprechspannung -dauernd- aushalten. Ein bei Mittelpunkterdung
der Bäderreihe über einen Schutzwiderstand in der Erdleitung liegendes Stromrelais
müßte den 4o- bis Sofachen Ansprechstrom, also den bei einem Erdschluß am Ende des
Bades auftretenden Maximalstrom dauernd aushalten können. Die notwendige thermische
Belastbarkeit und die geforderte Ansprechgenauigkeit_lassen sich zusammen in ein
und demselben Relais nicht erfüllen. Hinzu kommt noch bei den Spannungsrelais der
Unterschied zwischen Ansprech- und Abfallspannung sowie bei höheren Spannungen die
erhöhte Isolation.Should the earth fault monitoring not be based on a measuring instrument display
limit, but also an acoustic or if an earth fault occurs
If optical signals are given, relays must be arranged in the auxiliary circuits
will. However, if a slight potential shift is applied to these relays
the end point, which corresponds approximately to the voltage of a bath cell; reported
are to be made, requirements that are not met with normal relays
can. If we consider the case that through parallel resistors with center point grounding
"An artificial zero point has been created for the row of baths and that parallel to
.the resistor halves are located in the relay, the result is the following: At the relay
is half the bath voltage with normal insulation. If one takes as a basis
practical conditions presuppose that i 60 cells with a terminal voltage of about 5 volts each
are connected in series, each relay has 400 volts. Now shifts
as a result of an earth fault, the voltage of one half of the wheel by 5 or ro'Volt, see above
this means that the relay will be activated with a voltage increase of i1 / 4 or 21/2
must address. On the other hand, it must be in the event of an earth fault at the end of a bath
Soo volts, so -permanently- withstand twice the response voltage. On at center point ground
of the bath row via a protective resistor in the earth line
would have the 4o- to Sofachen response current, so that in the event of a ground fault at the end of the
Can withstand the maximum current that occurs in the bath. The necessary thermal
Resilience and the required response accuracy go together
and do not meet the same relay. In addition, the voltage relays have the
Difference between pick-up and drop-out voltage and, for higher voltages, the
increased isolation.
Die Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten dadurch, daß Ströme
oder Spannungen in einem an die Bäder angeschlossenen Hilfsstromkreis, deren Größe
von dem Erdungszustand der Bäderreihe abhängt, den Kern einer Drossel vormagnetisieren,
deren Wechselstromwicklung in Reihe mit dem Überwachungsrelais an einer Hilfswechselspannung
liegt. Die vormagnetisierte Drossel dient dabei als veränderlicher Vorwiderstand
vor der Relaiswicklung. Trägt man -die Spannung an dem Relais in Abhängigkeit von
dem Vormagnetisierungsgleichstrom der Drossel bei gegebener Hilfswechselspannung
graphisch auf, so erhält man die in den Fig. i und :2 dargestellten Kurven, wobei
Fig. i für einen Drosselkern aus normalem Eisen und Fig. 2 für einen solchen aus
Spezialeisen gilt. Den Auslösepunkt A des Relais wird man in jedem Fall in den steilen
Teil der Kennlinie legen, so daß ein sicheres Ansprechen bei der festgelegten-Spannungserhöhung
gewährleistet ist. Eine weitere Potentialverschielbung des Badmittelpunktes, die
sich in einem weiteren Anwachsen des Vormagnetisierungsstromes der Drossel auswirkt,
hat dann aber, wie die Kurven zeigen, nur noch eine geringere Steigerung der Spannung
an der Relaiswicklung zur Folge, die sich auch bei großen Werten der Potentialverschiebung
nicht mehr erhöht. Das Relais wird also auch bei großen Potentialverschiebungen
nicht thermisch überansprucht, während es gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit
besitzt.The invention overcomes these difficulties in that currents
or voltages in an auxiliary circuit connected to the baths, their size
depends on the earthing state of the bath series, premagnetize the core of a choke,
their alternating current winding in series with the monitoring relay on an auxiliary alternating voltage
lies. The pre-magnetized choke serves as a variable series resistor
in front of the relay winding. One carries the voltage on the relay as a function of
the DC bias current of the choke for a given auxiliary AC voltage
graphically, the curves shown in FIGS. 1 and 2 are obtained, where
Fig. I for a choke core made of normal iron and Fig. 2 for such a
Special iron applies. The trip point A of the relay will be in the steep one in any case
Place part of the characteristic curve so that a reliable response at the specified voltage increase
is guaranteed. Another potential for the center of the bath, the
results in a further increase in the bias current of the choke,
but then, as the curves show, there is only a smaller increase in tension
on the relay winding, which is also the case with large values of the potential shift
no longer increased. The relay will also work with large shifts in potential
not thermally overstrained, while at the same time it has a high sensitivity
owns.
Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie den beiden eingangs genannten
grundsätzlichen Schaltungen entsprechen, sind in den Fig. 3 und ,4 wiedergegeben.
Mit i und 2 sind die beiden Hälften der Bäderreihe bezeichnet, die aus dem Gleichstromnetz
3 gespeist wird. In Fig. i liegen die Vormagnetisierungswieklungen 6 und 6' der
Drosselspule 4 je zwischen einem Endpunkt der Bäderreihe und einem Endungspunkt.
Dabei sind die Wicklungen 6 und 6' auf dem Kern so angeordnet, daß die in ihnen
fließenden Ströme bezüglich der Magnetisierung des Drosselkernes einander entgegenwirken.
Sind die Spannungen anbeiden Vormagnetisierungs-Wicklungen 6 und b' einander gleich,
so ist die resultierende Vormagnetisierung gleich Null. Spannungsmesser 9 und g'
gestatten es, die Spannung zwischen je einem Badende und,dem Erdungspunkt abzulesen.
Die Differenz ihrer Anzeige bildet ein Maß für die Potentialverschiebung des Badmittelpunktes.
Die Arbeitswicklung 5 der Drossel 4 liegt in Reihe mit dem Relais zwischen den Leitern
8 eines Hilfswechselstromnetzes von annähernd konstanter Spannung. Tritt infolge
eines Isolationsfehlers eine Unsymmetrie in den beiden Badhälften auf, so- nimmt
die Spannung an der einen Vormagnetisierungswicklung zu und an der anderen um das
gleiche Maß ab. Es tritt also eine Differenz zwischen den Vormagnetisierungsströmen
entsprechend der doppelten Änderung der Spannung auf, wodurch sich die Empfindlichkeit
des Ansprechens noch erhöht.Embodiments of the invention, such as those mentioned above
correspond to basic circuits are shown in FIGS. 3 and 4.
With i and 2, the two halves of the bath series are referred to, which are from the direct current network
3 is fed. In Fig. I are the bias waves 6 and 6 'of the
Choke coil 4 each between an end point of the row of baths and an end point.
The windings 6 and 6 'are arranged on the core so that the in them
flowing currents counteract each other with regard to the magnetization of the inductor core.
If the voltages on both bias windings 6 and b 'are equal to one another,
so the resulting bias is zero. Tension meter 9 and g '
allow you to read off the voltage between each bather and the earthing point.
The difference in their display forms a measure of the potential shift in the center of the bath.
The working winding 5 of the choke 4 is in series with the relay between the conductors
8 of an auxiliary AC network of approximately constant voltage. Occurs as a result
In the event of an insulation fault, an asymmetry in the two bath halves is recorded
the voltage on one bias winding to and on the other by the
same dimension. So there is a difference between the bias currents
corresponding to the double change in voltage, increasing the sensitivity
the response is increased.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. ¢ ist der Mittelpunkt zwischen
den Badhälften i und 2 über einen Schutzwiderstand i i und einen Strommesser 14
geerdet. Eine Drosselspule io wird von dem Strom in dieser Erdungsverbindung vormagnetisiert.
Ihre Arbeitswicklung liegt in Reihe mit dem Relais 12 an dem Wechselstromhilfsnetz
13. Die Größe des in der Erdungsverbindung über den
Widerstand i
i fließenden Stromes bildet ein Maß für die Potentialverschiebung des Badmittelpunktes.
Es gelten hier bezüglich des Verhaltens der Drosselspule die gleichen Verhältnisse
wie sie an Hand der Fig. i und a erläutert wurden. Bei Überschreitung eines bestimmten
Stromes in der Erdverbindung spricht das Relais an, ohne bei weiterem Ansteigen
des Stromes in der Erdverbindung nennenswert stärker belastet zu werden.In the embodiment according to FIG
the bath halves i and 2 via a protective resistor i i and an ammeter 14
grounded. A choke coil io is biased by the current in this ground connection.
Your working winding is in series with the relay 12 on the AC auxiliary network
13. The size of the ground connection across the
Resistance i
i flowing current forms a measure for the potential shift of the bath center point.
The same conditions apply here with regard to the behavior of the choke coil
as explained with reference to FIGS. i and a. If a certain
Current in the earth connection responds to the relay without increasing further
of the current in the earth connection to be significantly more heavily loaded.