EP0142022A1 - Anordnung zum Abschalten von Strömen - Google Patents
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- H01H33/006—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means adapted for interrupting fault currents with delayed zero crossings
Definitions
- the invention relates to an arrangement for switching off currents, preferably short-circuit currents, in three-phase networks in which the current of one phase does not go through zero, by means of a switch controlled by a current detection device.
- Such arrangements are generally necessary in large capacitor systems.
- Such switches generally have to be relatively oversized, since at least one of the phases cannot normally go out at zero crossing. It would be conceivable to solve this problem by means of current superimposition or by means of increasing the arc resistance within the switch.
- Such arrangements are, however, relatively complex.
- the present invention has for its object to provide a simple arrangement of the type mentioned, which does not require additional superimpositions or devices to increase the arc resistance. This is achieved in a simple manner in that the current detection device determines the two phases going through zero, in which the difference in the time intervals between two adjacent zero crossings is greater than in the other, and switches off this phase first. Switching off this corresponding phase forces both other phases to go through zero so that the currents can go out at zero crossing. In order to further reduce the current carrying capacity of the switch, it can be advantageous if ge for the phases special switches are provided and the two last phases to be switched off are switched off with a time delay, since even then the two last phases to be switched off can be switched at zero crossing.
- the current detection device consists of zero-crossing detection devices assigned to each phase, to which integrators which can alternately be excited and stopped at the zero crossing are connected, the outputs of which are connected to a subtraction stage, the outputs of which are fed to a comparator common to all phases via an absolute value generator.
- Fig. 1 shows the waveform of short-circuit currents in three phases, the current flowing in phase T not crossing the zero line.
- the current in phase R reaches zero at times A, B, E, F etc., whereas the current with phase S becomes zero at times C, D, G, H.
- the difference between the distance defined by the times A, B and B, E is smaller than that defined by the times C, D and D, G when in a phase in which the absolute value of the difference between the neighboring points is smaller - in this case in phase R - the current is switched off in the first zero crossing; if a three-phase short-circuit current is present for shutdown, the current in phase S which previously went through zero will be the one which no longer has zero contact, so that phases S and T no longer go through zero, as shown in FIG. 2 is shown.
- 3 shows the case in which, according to FIG. 2, the current with phase R is only switched off at the second zero crossing, at point B. In this case, phases S and T also have, as in the example according to FIG. no more zero crossing.
- phase S If the current is switched off first in a phase where the absolute value of the difference between adjacent, defined intervals of the zero crossings is greater - this is in phase S, as shown in FIG. 4 - at the first zero crossing at point C. the currents in the remaining two phases - phase R and T - waveforms that cross the zero line.
- FIG. 5 shows a case in which - as in the example according to FIG. 4 - the current in phase S is first switched off, specifically at zero crossing G. In this case, the currents of phases R and T cross - as in the example after Fig. 4 - the zero line.
- a three-phase short-circuit current that has a non-zero phase can be turned off by conventional AC switches or semiconductor AC switches by first turning off the current in the phase that has a larger difference between the neighboring ones Intervals between two zero crossings.
- Short-circuit currents that do not go through zero which have caused problems in large capacitor systems, can be switched off in an extremely economical manner.
- the phase that must first be switched off can be easily detected by the following method.
- the first zero crossing of the secondary current of the current transformer 2, which is provided in each of the three phases of the main circuit 1, is detected, for example, by a zero-crossing detection device 3, which responds when the value 0 is passed. Furthermore, a first integrator 4 is excited by this signal in order to charge the capacitor in this integrator. As a result, the first integrator 4 is stopped when a second integrator 5 is started simultaneously with the pulse of the second zero crossing, which is emitted by the zero crossing detection device 3. Farther the second integrator is stopped when the first integrator again by the third zero crossing pulse. is excited. This way of working continues.
- the difference between the adjacent distances, which are defined by the zero crossings in the corresponding phase, is formed by introducing the stored voltages into a subtractor 6, and the difference of each phase thus obtained is fed to a comparator 8 via an absolute value generator 7 in order to be here with one another to be compared so that the phase which has the greatest distance between the zero points and is to be switched off first can be determined. Since the non-zero current causes zero crossing detector 3 not to output, the input to comparator 8 is also zero and this phase is compared to the others assuming that their difference between zero points is zero. Accordingly, this phase is not recognized as the phase that must first be switched off.
- the following describes a method of how to control the shutdown operation for the current to be shutdown after determining the phase to be shutdown first.
- FIG. 7 shows a block diagram of such a control method with current transformers 2 in each phase of the main circuit 1 as an input element for detecting the phase to be switched off described in more detail above.
- the current transformers 2 are connected to a phase selection device 9 for determining the phase to be switched off first, into which the secondary current of the current transformer is Entrance is introduced.
- the phase selection device consists of parts 3 to 8 as described in FIG. 6.
- the output of a protection relay 10 as an output for a switch-off command using the short-circuit current of the main line 1 is led to a logic multiplier 11, which will be described later.
- phase S is certainly the first to be interrupted at time N, in that a switch-off command is given to the switch in such a way that phase S, which is to switch off first, at time G - see FIG. 8 - was measured (the time axis according to FIG. 1 is extended).
- the minimum arc time is in the following small loop, i.e. on the peak value between the times M and N.
- the position determined by the switch-off command can only be used by using the waveform of the AC component, regardless of the size the DC component.
- the minimum arc extinguishing time must be positioned to remain at the peak between times M and N when the position P of the first peak has been detected after the current with phase S has been detected, as shown in FIG , for example by using a differentiation circuit in order to provide the switch-off command at a point which is shifted by a certain expiration time in relation to the above-mentioned position.
- N o. 12 in FIG. 7 shows a phase selection device which permits a current flow of the secondary current in one of the current transformers 17 which are arranged in the phases of the main circuit 1 in the phase which is to be switched off first, and instructions which phase should be selected, are given by the phase selector 9.
- the result of the logical multiplication of the signal which represents the peak value of the phase which is to be switched off first, with a command for three-phase switch-off from the protective relay 10, is output by the logic multiplication circuit 11 and the current which is to be switched off first is switched off, when the output signal has been delayed by the device 14 for a predeterminable time and has reached the trip coil of the switch.
- the switch In the event that the switch is operated together with respect to the three phases by a common drive, the currents in the following two phases will go out at zero crossing.
- the switch is constructed such that actuators are provided in each of the phases and each of the phases can be switched off independently of the others, the three-phase current can be switched off by inserting the output of the delay device 14 into a delay device 15 to produce a time delay, to produce a delay time of approximately half a period, after which the other two phases are switched off later than the first by this time delay.
- An auxiliary contact in the first disconnected phase is opened at the same time as it is switched off and the current for the trip coil, which is in series with the contact, is also switched off. Accordingly, no trip command is given to the trip coil of the first phase when the trip switching command for the other phases, which is supplied from the delay device 15 to the switch with a time delay.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Abschalten von Strömen, vorzugsweise Kurzschlußströmen, in Dreiphasennetzen, bei denen der Strom einer Phase nicht durch Null geht, mittels eines von einer Stromerfassungseinrichtung gesteuerten Schalters.
- Derartige Anordnungen sind im allgemeinen bei großen Kondensatoranlagen notwendig. Derartige Schalter müssen im allgemeinen relativ überdimensioniert werden, da zumindest eine der Phasen im Normalfall nicht beim Nulldurchgang erlöschen kann. Es wäre denkbar, dieses Problem durch Stromüberlagerungen oder durch Einrichtungen zur Erhöhung des Lichtbogenwiderstandes innerhalb des Schalters zu lösen. Derartige Anordnungen sind jedoch relativ aufwendig.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Anordnung der obengenannten Art zu schaffen, die ohne zusätzliche Überlagerungen oder Vorrichtungen zur Erhöhung des Lichtbogenwiderstandes auskommt. Dies wird auf einfache Weise dadurch erreicht, daß die Stromerfassungseinrichtung die der beiden durch Null gehenden Phasen ermittelt, bei der die Differenz der Zeitabstände zweier benachbarter Nulldurchgänge größer ist als bei der anderen und diese Phase zuerst abschaltet. Durch das Abschalten dieser entsprechenden Phase werden beide anderen Phasen gezwungen, durch Null zu gehen, so daß die Ströme im Nulldurchgang erlöschen können. Um die Stromtragfähigkeit des Schalters weiter zu verringern kann es vorteilhaft sein, wenn für die Phasen gesonderte Schalter vorgesehen sind und die beiden zuletzt abzuschaltenden Phasen mit einer Zeitverzögerung abgeschaltet werden, da auch dann die beiden zuletzt abzuschaltenden Phasen im Nulldurchgang geschaltet werden können. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Stromerfassungseinrichtung aus jeder Phase zugeordneten Nulldurchgangserfassungseinrichtungen besteht, denen wechselseitig beim Nulldurchgang anreg- und stoppbare Integratoren nachgeschaltet sind, deren Ausgänge einer Subtraktionsstufe aufgeschaltet sind, deren Ausgänge über einen Absolutwertbildner einem allen Phasen gemeinsamen Vergleicher zugeführt sind.
- Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung beschrieben.
- Es zeigen:
- Fig. 1 Wellenformen eines Dreiphasenkurzschlusses, wobei der Strom der Phase T nicht durch Null geht,
- Fig. 2 die Änderung der Ströme in den verbleibenden zwei Phasen, nachdem einer der beiden durch Null gehenden Phasenströme zum Zeitpunkt A abgeschaltet ist. Die Phase R liegt so, daß die absoluten Werte der Differenz zweier benachbarter Nulldurchgänge kleiner ist,
- Fig. 3 die Änderung der Ströme in den verbleibenden zwei Phasen, nachdem die Phase R im zweiten Nulldurchgang bei B abgeschaltet ist,
- Fig. 4 die Änderung der Ströme in den verbleibenden zwei Phasen, nachdem eine der Phasen, die durch Null geht, im Nulldurchgang bei C abgeschaltet ist - das ist die Phase S. Hier ist die Differenz zweier benachbarter Abstände der Nulldurchgänge größer,
- Fig. 5 die Stromänderung in den verbleibenden Phasen, nachdem der Strom in der Phase S im zweiten Nulldurchgang bei D abgeschaltet ist,
- Fig. 6 das Blockschaltbild einer Erfassungseinrichtung für die Phasen, in der der absolute Wert der Differenz zwischen benachbarten Abständen der Nulldurchgänge in den entsprechenden Phasen festgestellt werden kann,
- Fig. 7 das Blockschaltbild einer Methode zur Steuerung der Abschalthandlung für die zuerst abzuschaltende Phase und
- Fig. 8 eine Kurvenform gemäß Fig. 1 mit verlängerter Zeitachse.
- Fig. 1 zeigt die Wellenform von Kurzschlußströmen in drei Phasen, wobei der in der Phase T fließende Strom die Null-Linie nicht schneidet. Der Strom in der Phase R erreicht Null zu den Zeiten A, B, E, F usw., wohingegen der Strom mit der Phase S zu den Zeiten C, D, G, H zu Null wird. In diesem Fall ist die Differenz zwischen dem Abstand, der durch die Zeitpunkte A, B und B, E definiert ist, kleiner als der, der durch die Zeitpunkte C, D und D, G definiert ist, wenn in einer Phase, in der der absolute Wert der Differenz zwischen den benachbarten Punkten kleiner ist - das ist in diesem Fall in der Phase R -, im ersten Nulldurchgang der Strom abgeschaltet wird; wenn ein dreiphasiger Kurzschlußstrom zur Abschaltung ansteht, wird der Strom in der Phase S, der bisher durch Null ging, derjenige sein, der keine Nullberührung mehr hat, so daß die Phasen S und T nicht mehr durch Null gehen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Fig. 3 zeigt den Fall an, bei dem entsprechend Fig. 2 der Strom mit der Phase R erst beim zweiten Nulldurchgang abgeschaltet wird, am Punkt B. In diesem Fall besitzen die Phasen S und T ebenfalls, wie im Beispiel nach Fig. 2, keinen Nulldurchgang mehr.
- Wird der Strom in einer Phase, wo der absolute Wert der Differenz zwischen benachbarten, definierten Abständen der Nulldurchgänge größer ist - das ist in der Phase S, wie Fig. 4 zeigt - zuerst abgeschaltet, und zwar am ersten Nulldurchgang am Punkt C, so haben die Ströme in den verbleibenden beiden Phasen - Phase R und T - Wellenformen, die die Null-Linie durchkreuzen. Fig. 5 zeigt einen Fall, in dem - wie im Beispiel nach Fig. 4 - der Strom in der Phase S zuerst abgeschaltet wird und zwar beim Nulldurchgang G. In diesem Fall durchkreuzen die Ströme der Phasen R und T - wie auch beim Beispiel nach Fig. 4 - die Null-Linie. Es ist somit nachgewiesen, daß ein Dreiphasen-Kurzschlußstrom, der eine Phase hat, die nicht durch Null geht, durch übliche Wechselstromschalter oder Halbleiter-Wechselstromschalter abgeschaltet werden kann, indem zuerst der Strom in der Phase abgeschaltet wird, die einen größeren Differenzwert zwischen den benachbarten Abständen zweier Nulldurchgänge hat. Kurzschlußströme, die nicht durch Null gehen, die bei großen Kondensatoranlagen Probleme aufgeworfen haben, können so auf äußerst wirtschaftliche Weise abgeschaltet werden. Die Phase, die zuerst abgeschaltet werden muß, kann durch die folgende Methode auf einfache Weise erfaßt werden.
- Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist der erste Nulldurchgang des Sekundärstromes des Stromwandlers 2, der in jeder der drei Phasen des Hauptstromkreises 1 vorgesehen ist, beispielsweise durch eine Nuldurchgangserfassungseinrichtung 3 erfaßt, die beim Durchlaufen des Wertes 0 anspricht. Weiterhin ist ein erster Integrator 4 durch dieses Signal angeregt, um den Kondensator in diesem Integrator aufzuladen. In der Folge wird der erste Integrator 4 gestoppt, wenn ein zweiter Integrator 5 gleichzeitig mit dem Puls des zweiten Nulldurchganges, der von der Nulldurchgangserfassungseinrichtung 3 abgegeben wird, gestartet wird. Weiterhin wird der zweite Integrator angehalten, wenn der erste Integrator wieder durch den dritten Nulldurchgangsimpuls. angeregt wird. Diese Arbeitsweise setzt sich weiter fort.
- Je länger die Abstände zwischen den Nullpunkten sind, je höher wird die Spannung, die an den Ladekontakten der Integratoren während der Wiederholung entsteht. Die Differenz zwischen den benachbarten Abständen, die durch die Nulldurchgänge in der entsprechenden Phase definiert sind, wird durch Einbringen der gespeicherten Spannungen in einen Subtrahierer 6 gebildet, und die so erhaltene Differenz jeder Phase wird einem Vergleicher 8 über einen Absolutwertbildner 7 zugeleitet, um hier miteinander verglichen zu werden, so daß die Phase, die den größten Abstand zwischen den Nullpunkten aufweist und zuerst abgeschaltet werden soll, bestimmt werden kann. Da der Strom, der nicht durch Null geht, die Nulldurchgangserfassungseinrichtung 3 veranlaßt, kein Ausgangssignal abzugeben, ist der Eingang zum Vergleicher 8 ebenfalls Null und diese Phase wird verglichen mit den anderen unter der Annahme, daß deren Differenz zwischen den Nullpunkten Null ist. Entsprechend wird diese Phase nicht als die Phase erkannt, die zuerst abgeschaltet werden muß..
- Im folgenden wird eine Methode beschrieben, wie die Abschaltoperation für den zuerst abzuschaltenden Strom zu steuern ist, nachdem die Phase festgestellt wurde, die zuerst abzuschalten ist.
- Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm einer derartigen Steuerungsmehtode mit Stromwandlern 2 in jeder Phase des Hauptstromkreises 1 als ein Eingangsglied zur Erfassung der oben näher beschriebenen, zuerst abzuschaltenden Phase. Die Stromwandler 2 sind mit einer Phasenauswahleinrichtung 9 zur Feststellung der zuerst abzuschaltenden Phase verbunden, in die der Sekundärstrom des Stromwandlers als Eingang eingeführt ist. Die Phasenauswahleinrichtung besteht aus den Teilen 3 bis 8, wie sie in Fig. 6 beschrieben sind. Andererseits ist der Ausgang eines Schutzrelais 10 als Ausgabe für ein Ausschaltkommando unter Benutzung des Kurzschlußstromes der Hauptleitung 1 auf einen logischen Multiplizierer 11 geführt, was später beschrieben wird.
- Wie bekannt, benötigen konventionelle Wechselstromschalter eine geringe Lichtbogenlöschzeit. Wird jedoch diese Löschzeit überschritten, kann der Kurzschlußstrom in jedem beliebigen Nulldurchgang abgeschaltet werden. Der Kurzschlußstrom in der Phase S ist mit Sicherheit zum Zeitpunkt N als erster unterbrochen, und zwar dadurch, daß ein Abschaltkommando auf den Schalter in der Weise gegeben ist, daß die Phase S, die zuerst abschalten soll, zum Zeitpunkt G - siehe Fig. 8 - gemessen wurde (die Zeitachse gemäß Fig. 1 ist verlängert). Die minimale Lichtbogenzeit liegt in der folgenden kleinen Schleife, d.h. auf dem Spitzenwert zwischen den Zeiten M und N. Da die minimale Lichtbogenzeit im Spitzenwert der Wechselstromkomponente innerhalb des Kurzschlusses in der Phase S liegt, kann die Stellung, die durch das Ausschaltkommando bestimmt wird, nur durch Ausnutzung der Wellenform der Wechselstromkomponente, unabhängig von der Größe der Gleichstromkomponente, erfaßt werden. Mit anderen Worten: Die minimale Lichtbogenlöschzeit muß so positioniert werden, daß sie am Spitzenwert zwischen den Zeiten M und N verbleibt, wenn die Position P des ersten Spitzenwertes erfaßt wurde, nachdem der Strom mit der Phase S erfaßt wurde, wie dies Fig. 8 zeigt, beispielsweise durch Ausnutzung eines Differenzationskreises, um das Ausschaltkommando an einer Stelle vorzusehen, die um eine bestimmte Ablaufzeit gegenüber der obengenannten Position verschoben ist.
- Nr. 12 in Fig. 7 zeigt eine Phasenauswahlvorrichtung, die einen Stromfluß des Sekundärstromes in einem der Stromwandler 17, die in den Phasen des Hauptstromkreises 1 angeordnet sind, in der Phase, die zuerst abzuschalten ist, zuläßt und Instruktionen, welche der Phasen gewählt werden soll, werden durch die Phasenauswahleinrichtung 9 gegeben. Es ist weiterhin eine Einrichtung 13 zur Ermittlung des Spitzenwertes vorhanden, und zwar des Spitzenwertes des Stromes in der ausgewählten Phase. Das Ergebnis der logischen Multiplikation des Signals, das den Spitzenwert der Phase, die zuerst abgeschaltet werden soll, darstellt mit einem Kommando zur Dreiphasenabschaltung von dem Schutzrelais 10 wird von dem logischen Multiplikationskreis 11 abgegeben und der Strom, der zuerst abgeschaltet werden soll, wird abgeschaltet, wenn das Ausgangssignal für eine vorbestimmbare Zeit durch die Einrichtung 14 verzögert wurde und die Auslösespule des Schalters erreichte. Im Falle, daß der Schalter gemeinsam in bezug auf die drei Phasen durch einen gemeinsamen Antrieb betätigt wird, werden die Ströme in den folgenden zwei Phasen im Nulldurchgang erlöschen. Wenn der Schalter so konstruiert ist, daß Betätigungseinrichtungen in jeder der Phasen vorgesehen sind und jede der Phasen unabhängig von den anderen abgeschaltet werden kann, kann der Dreiphasenstrom abgeschaltet werden, indem der Ausgang der Verzögerungseinrichtung 14 zur Erzeugung einer Zeitverzögerung in eine Verzögerungseinrichtung 15 eingeführt wird, um eine Verzögerungszeit von ungefähr einer halben Periode zu erzeugen, wonach die beiden anderen Phasen um diese Zeitverzögerung später als die erste abgeschaltet werden. Ein Hilfskontakt in der zuerst abgeschalteten Phase wird gleichzeitig mit dem Abschalten geöffnet und der Strom für die Auslösespule, der mit dem Kontakt in Reihe liegt, wird ebenfalls abgeschaltet. Entsprechend wird kein Ausschaltkommando an die Auslösespule der ersten Phase gegeben, wenn das Ausschaltkommande für die anderen Phasen, das von der Verzögerungseinrichtung 15 mit einer Zeitverzögerung dem Schalter zugeführt wird, abgegeben wird.
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