WO2002093709A1 - Umgehungsschaltung für den überstromauslöser eines niederspannungs-leistungsschalters - Google Patents

Umgehungsschaltung für den überstromauslöser eines niederspannungs-leistungsschalters Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a bypass circuit for the electronic overcurrent release of a current-limiting low-voltage circuit breaker with separate current sensors for the electronic overcurrent release and for the bypass circuit and with a release magnet for releasing an energy store of the circuit breaker.
  • a major reason for using bypass circuits is the required evaluation time of the current signal by an electronic overcurrent release, especially if it has previously been in an inactive idle state.
  • An inactive idle state can exist after the circuit breaker has been switched off or during an operation in which the current flows through the circuit breaker so low that sufficient auxiliary energy is not generated to operate the overcurrent release.
  • the energy for operating the electronic devices of the circuit breaker and the overcurrent release is to be taken from the network itself, which, apart from the short-term state (approx. 10 ms) after switching on or a current increase in the network via the aforementioned threshold value by the current sensor itself or if necessary, an additional energy converter is also easily possible. But even with sufficient
  • a microprocessor-based overcurrent release cannot supply auxiliary power immediately in the event of a short circuit, because the RESET routine of the microprocessor and the closing processing of the current measured values requires more than 10 ms. This time requirement is too high for current-limiting circuit breakers. For this reason, analog or analog-electronic bypass circuits are used, which enable the circuit breaker to react much more quickly.
  • ironless current sensors of the Rogowski type are used for the bypass circuit.
  • the tripping magnet is common to both types of tripping and is actuated via a common control circuit.
  • Z-diodes are used as threshold elements in this solution as well as in EP 0 279 689.
  • a prerequisite for the desired rapid response of the circuit breaker to a short-circuit current is, in addition to the immediate delivery of a signal after a threshold value of the monitored current has been exceeded, that there is sufficient energy available to actuate the tripping magnet. This can be ensured that the electronic devices of the circuit breaker are powered by a constantly active auxiliary energy source (battery or the like). Often, however, an "autonomous" supply is preferred not only to the trip electronics, but also to the trip magnet from the network in which the circuit breaker is located. As a rule, the current transformers are then used for the energy supply, which also supply the measured values of the current, or separate "energy transformers" are installed in the circuit breaker.
  • the invention is based on the object of specifying a bypass circuit for the trigger of a low-voltage circuit breaker which ensures a high level of safety against tripping in the event of short circuits.
  • the current sensors provided for operating the bypass circuit are designed as current transformers with an output power sufficient to actuate a release magnet when a short-circuit current flows.
  • the solution creates a completely independent circuit for instantaneous triggering of the switch contacts. This means that the release energy is provided, the response threshold is dimensioned and the contacts are converted into a mechanical movement by means that are neither partially nor wholly part of the normal release system. If a separate release magnet is provided, the most favorable design of the components and is obtained the shortest trigger delay. However, the release magnet available for the electronic overcurrent release can also be used in a version with a second winding for release by the bypass circuit.
  • the effort for the second tripping system is surprisingly low, since it is only a matter of detecting very high currents with an uncritical tolerance and therefore the current transformer in particular can have a very simple structure.
  • the magnetic circuit can be open, e.g. B. as a rod-shaped core.
  • the evaluation circuit can have a correspondingly simple structure. It consists, for example, of a rectifier, a capacitor and a threshold circuit controlling the state of charge of the capacitor.
  • the bypass circuit can be short-circuited during normal operation of the overcurrent release. As a result, it is put out of operation and therefore cannot cause faulty tripping if electromagnetic interference occurs.
  • the drawing shows a phase of a three-phase overcurrent release system of a low-voltage circuit breaker with a set of current sensors 1 combined from Rogowski coils and energy andern, a digital electronic overcurrent release 2, consisting of a microprocessor including reset generator, a power supply, the measurement signal processing and the trip circuit, which sends a signal to one in the event of a detected overcurrent in a monitored network Trigger magnet Fl of the low-voltage circuit breaker.
  • the bypass circuit 4 is fed from a separate current sensor 3, which is designed as an energy-supplying current transformer and is constructed as simply as possible. Its cores can e.g. B. be magnetically open (rod cores).
  • the bypass circuit 4 comprises a bridge rectifier and a capacitor C to be charged by the latter.
  • a threshold circuit 5 monitors the state of charge of the capacitor C. As soon as a sufficient charging voltage has been reached at the capacitor C, an electronic switch V2 is closed and thereby the energy stored in the capacitor C. a second trigger magnet F2 supplied.
  • An advantage of using the separate trigger magnets F1 and F2 is the possibility of optimally adapting them electrically and magnetically to the energy available for triggering, and thus, in particular with regard to the second trigger magnet F2, a particularly low trigger delay with a more favorable dimensioning of the current sensor 3 and the components of the bypass
  • a common trigger magnet F3 is indicated in dash-dotted lines in the figure and has separate windings for the two trigger paths. This means that there are separate circuits for both types of tripping, but which use a common mechanical-magnetic path
  • the bypass circuit 4 thus works completely independently of the microprocessor-based electronic overcurrent release
  • bypass circuit 4 can be short-circuited by the transistor VI. This means that it is ineffective and cannot interfere with overcurrent release 2.

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Abstract

Eine Umgehungsschaltung (4) dient dazu, einen Leistungsschalter unabhängig von einem vorhandenen elektronischen Überstromauslöser (2) möglichst unverzögert auszulösen, wenn ein Kurzschluss auftritt. Hierzu wird die Umgehungsschaltung (4) durch einen eigenen, als Stromwandler ausgebildeten Stromsensor (3) gespeist, um einen Kondensator (C) aufzuladen, bis eine Schwellwertschaltung (5) anspricht. Die Ladung des Kondensators (C) wird dann einem gesonderten Auslösemagnet (F2) oder einem mit getrennten Wicklungen für beide Auslösewege versehenen kombinierten Auslösemagnet (F3) zugeführt.

Description

Beschreibung
UmgehungsSchaltung für den Überstromauslöser eines Nieder- spannungs-Leistungsschalters
Die Erfindung betrifft eine UmgehungsSchaltung für den elektronischen Überstromauslöser eines strombegrenzenden Nieder- spannungs-Leistungsschalters mit gesonderten Stromsensoren für den elektronischen Überstromauslöser und für die Umge- hungsschaltung sowie mit einem Auslösemagnet zur Freigabe eines Energiespeichers des Leistungsschalters .
Eine UmgehungsSchaltung der vorstehend genannten Art ist durch die EP 0 244 284 Bl (=US 4 733 321) bekannt geworden. Ein hauptsächlicher Grund für die Verwendung von Umgehungsschaltungen ist die erforderliche Bewertungszeit des Stromsignals durch einen elektronischen Überstromauslöser, insbesondere wenn sich dieser zuvor in einem inaktiven Ruhezustand befunden hat. Ein inaktiver Ruhezustand kann nach dem Aus- schalten des Leistungsschalters vorliegen oder bei einem Betrieb, bei dem durch den Leistungsschalter ein so geringer Strom fließt, dass keine ausreichende Hilfsenergie zum Betrieb des Überstromauslösers erzeugt wird. Die Energie zum Betrieb der elektronischen Einrichtungen des Leistungsschal- ters und des Überstromauslösers soll aus dem Netz selber entnommen werden, was bis auf den kurzzeitigen Zustand (etwa 10 ms) nach einer Einschaltung oder einem Stromanstieg im Netz über den vorgenannten Schwellwert durch den Stromsensor selbst oder gegebenenfalls einen zusätzlichen Energiewandler auch problemlos möglich ist. Aber auch bei ausreichender
Hilfsenergie kann ein mikroprozessorgestützter Überstromauslöser bei Kurzschluss nicht sofort einen Auslösebefehl abgeben, weil die RESET-Routine des Mikroprozessors und die an- schließende Verarbeitung der anstehenden Messwerte des Stromes mehr als 10 ms erfordert. Dieser Zeitbedarf ist für strombegrenzende Leistungsschalter zu hoch. Deshalb werden analoge bzw. analog-elektronische UmgehungsSchaltungen einge- setzt, die eine wesentlich raschere Reaktion des Leistungs- schalters ermöglichen.
Nach der genannten EP 0 244 284 Bl werden für die Umgehungsschaltung eisenlose Stromsensoren nach der Art von Rogowski- Wandlern eingesetzt. Der Auslösemagnet ist für beide Arten von Auslösungen gemeinsam und wird über eine gemeinsame Steuerschaltung betätigt. Als Schwellwertglieder werden bei dieser Lösung wie auch nach der EP 0 279 689 Z-Dioden benutzt.
Voraussetzung für die gewünschte schnelle Reaktion des Leistungsschalters auf einen Kurzschlussstrom ist neben der möglichst unverzögert erfolgenden Abgabe eines Signals nach dem Überschreiten eines Schwellwertes des überwachten Stromes, dass eine zur Betätigung des Auslösemagneten ausreichende E- nergie zur Verfügung steht. Dies kann dadurch sichergestellt werden, dass die elektronischen Einrichtungen des Leistungsschalters durch eine ständig aktive Hilfsenergiequelle gespeist werden (Batterie o.a.) . Häufig wird aber eine "autarke" Versorgung nicht nur der Auslöseelektronik, sondern auch des Auslösemagneten aus dem Netz bevorzugt, in dem sich der Leistungsschalter befindet. In der Regel werden dann die Stromwandler zur Energielieferung herangezogen, die auch die Messwerte des Stromes liefern oder es werden gesonderte "Energiewandler" im Leistungsschalter eingebaut. Offensicht- lieh liefern diese Einrichtungen jedoch nur dann eine Hilfs- energie, wenn der durch den Leistungsschalter fließende Strom einen gewissen Minimalwert überschreitet. Bei dem in US 4.104.601 gezeigten Schalter mit elektronischem Auslöser ist zur Beschleunigung der Auslösung bei hohen Kurz- schlussströmen eine direkte Betätigung des Auslösemagneten durch magnetische Beeinflussung vorgesehen, mit der eine all- polige Auslösung bewirkt werden kann. Hierzu wird das Magnetfeld der Hauptstrombahn zur Einwirkung auf das Haltemagnetfeld des Auslösemagneten und dieser bei hohen Überströmen zum Abfallen gebracht. Die Lösung setzt die räumliche Nähe von Hauptstrombahn und Auslösemagnet voraus, was sich nur bei we- nigen Bauformen von Schaltgeräten (MCCB) realisieren lässt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umgehungsschaltung für den Auslöser eines Niederspannungs-Leistungs- schalters anzugeben, die eine hohe Ausschaltsicherheit bei Auftreten von Kurzschlüssen gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Danach sind die zum Betrieb der Umgehungsschaltung vorgesehenen Stromsensoren als Stromwandler mit einer beim Fließen eines Kurzschlussstromes zur Betätigung eines Auslösemagneten ausreichenden Ausgangsleistung ausgebildet.
Mit der Lösung wird ein völlig eigenständiger Stromkreis für eine unverzögerte Auslösung der Schalterkontakte geschaffen. Das bedeutet, dass die Bereitstellung der Auslöseenergie, die Bemessung der Ansprechschwelle und die Umsetzung in eine me- chanische Bewegung der Kontakte durch Mittel erfolgt, die weder teilweise noch ganz Bestandteil des normalen Aulöse- systems sind. Wird ein gesonderter Ausiösemagnet vorgesehen, so erhält man die günstigste Auslegung der Komponenten und die kürzeste Auslöseverzögerung. Jedoch kann auch der für den elektronischen Überstromauslöser vorhandene Auslösemagnet in einer Ausführung mit einer zweiten Wicklung zur Auslösung durch die UmgehungsSchaltung benutzt werden.
Der Aufwand für das zweite Auslösesystem ist überraschend gering, da es nur auf die Erfassung sehr hoher Ströme mit unkritischer Toleranz ankommt und daher insbesondere der Stromwandler einen denkbar einfachen Aufbau aufweisen kann. Der magnetische Kreis kann offen, z. B. als stabförmiger Kern, ausgebildet sein.
Die Auswerteschaltung kann entsprechend einfach aufgebaut sein. Sie besteht beispielsweise aus einem Gleichrichter, ei- nem Kondensator und einer den Ladezustand des Kondensators kontrollierenden Schwellwertschaltung .
Im normalen Betrieb des Überstromauslösers kann die Umgehungsschaltung kurzschließbar sein. Sie wird hierdurch außer Betrieb gesetzt und kann daher keine fehlerhafte Auslösung bewirken, wenn elektromagnetische Störungen auftreten.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Aus ührungsbei- spiels näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt eine Phase eines dreiphasigen Überstrom- auslösesystems eines Niederspannungs-Leistungsschalters mit einem aus Rogowskispulen und Energie andlern kombinierten Satz von Stromsensoren 1, einem digitalelektronischen Über- Stromauslöser 2, bestehend aus einem Mikroprozessor einschließlich Resetgenerator, einem Netzteil, der Messsignalaufbereitung und dem Auslösekreis, der im Falle eines erkannten Überstroms in einem überwachten Netz ein Signal an einen Auslösemagneten Fl des Niederspannungs-Leistungsschalters abgibt .
Die Umgehungsschaltung 4 wird aus einem separaten Stromsensor 3 gespeist, der als energieliefernder Stromwandler ausgebildet und so einf ch wie möglich aufgebaut ist . Seine Kerne können z. B. magnetisch offen sein (Stabkerne) . Die Umgehungsschaltung 4 umfasst einen Brückengleichrichter und einen durch diese aufzuladenden Kondensator C. Eine Schwellwert- Schaltung 5 überwacht den Ladezustand des Kondensators C. Sobald am Kondensator C eine ausreichende Ladespannung erreicht ist, wird ein elektronischer Schalter V2 geschlossen und hierdurch die im Kondensator C gespeicherte Energie einem zweiten Auslösemagneten F2 zugeführt. Vorteilhaft bei der Verwendung der getrennten Auslösemagnete Fl und F2 ist die Möglichkeit, diese elektrisch und magnetisch optimal an die zur Auslösung verfügbare Energie anzupassen und damit insbesondere hinsichtlich des zweiten Auslösemagneten F2 eine besonders geringe Auslöseverzögerung bei günstiger Dimensionie- rung des Stromsensors 3 und der Komponenten der Umgehungs-
Schaltung 4 zu erzielen.
Als weitere Möglichkeit ist in der Figur strichpunktiert ein gemeinsamer Auslösemagnet F3 angedeutet, der getrennte Wick- lungen für die beiden Auslösewege besitzt. Damit bestehen getrennte Stromkreise für beide Arten von Auslösungen, die jedoch einen gemeinsamen mechanisch-magnetischen Weg nutzen
Die Umgehungsschaltung 4 arbeitet somit völlig unabhängig von dem mikroprozessorgestützten elektronischen Überstromauslöser
2. Bei normalen Betriebsbedingungen, d. h. nach Ablauf der Bewertungszeit von etwa 10 ms, kann die UmgehungsSchaltung 4 durch den Transistor VI kurzgeschlossen werden. Damit ist er unwirksam und kann den Überstromauslöser 2 nicht störend be- einflussen.

Claims

Patentansprüche
1. Umgehungsschaltung (4) für den elektronischen Überstromauslöser (2) eines strombegrenzenden Niederspannungs-Leis- tungsschalters mit gesonderten Stromsensoren (1; 3) für den elektronischen Überstromauslöser (2) und für die Umgehungs- Schaltung (4) sowie mit einem Auslösemagnet (Fl) zur Freigabe eines Energiespeichers des Leistungsschalters, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zum Betrieb der UmgehungsSchaltung (4) vorgesehenen Stromsensoren (3) als Stromwandler mit einer beim Fließen eines Kurzschlussstromes zur Betätigung eines Auslösemagneten (F2; F3) ausreichenden Ausgangsleistung ausgebildet sind.
2. Umgehungsschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen die Stromsensoren (3) der Umgehungsschaltung (4) und den Auslösemagnet (F2) eine Ladeschaltung für einen Kondensator (C) sowie eine die Spannung des Kondensators (C) überwachende Schwellwertschaltung (5) zur Freigabe einer Entladung des Kondensators (C) auf den Auslösemagnet (F2, F3) bei ausreichender Ladung geschaltet ist.
3. Umgehungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die UmgehungsSchaltung (4) einen durch den elektronischen Überstromauslöser (2) steuerbaren Kurzschließer (VI) enthält zur Deaktivierung der UmgehungsSchaltung (4) im Bereich durch den elektronischen Überstromauslöser (2) zu ver- arbeitender Ströme.
4. Umgehungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein gemeinsamer Auslösemagnet (F3) für die Auslösung des Leistungsschalters durch den elektronischen Überstromauslöser (2) und durch die Umgehungsschaltung (4) vorgesehen ist und dass der Auslösemagnet (F3) getrennte Wicklungen für beide Auslösungen besitzt.
5. Umgehungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für die Auslösung des Leistungsschalters durch den elektronischen Überstromauslöser (2) und durch die Umgehungs- Schaltung (4) getrennte Auslösemagnete (Fl, F2) vorgesehen sind.
6. UmgehungsSchaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die als Stromwandler ausgebildeten Stromsensoren (3) einen magnetisch offenen Eisenkreis aufweisen.
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