Beschreibung
Einrichtung zum Kurzschließen von zwei elektrischen Leitungen zum Abbau einer Potentialdifferenz
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kurzschließen einer ersten elektrischen Leitung mit einer zweiten elektrischen Leitung zum Abbau einer Potentialdifferenz, wobei zwischen der ersten und der zweiten Leitung wenigstens eine erste elektronische Schaltvorrichtung und antiparallel zu dieser wenigstens eine zweite elektronische Schaltvorrichtung angeordnet sind, wobei durch wenigstens eine der beiden elektronischen Schaltvorrichtungen eine auftretende Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Leitung überbrückbar ist, wobei die erste elektronische
Schaltvorrichtung schaltet, wenn das Potential der zweiten elektrischen Leitung um einen vorgebbaren Differenzwert größer ist als das Potential der ersten elektrischen Leitung und die zweite elektronische Schaltvorrichtung schaltet, wenn das Potential der ersten elektrischen Leitung um einen vorgebbaren Differenzwert größer ist als das Potential der zweiten elektrischen Leitung.
Eine derartige Einrichtung ist aus der WO 01/06610 AI be- kannt. Ein wesentlicher Bestandteil der bekannten Einrichtung ist ein mechanischer Schalter, der mit einer Spannungserfas- sungseinrichtung verbunden ist. Beide sind jeweils zwischen den beiden elektrischen Leitungen angeordnet. Bei einer zu großen Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Leitung, die von der Spannungserfassungseinrich- tung erkannt wird, wird der Schalter geschlossen und ein Kurzschluss zwischen den beiden Leitungen bewirkt. Nur zusätzlich zum mechanischen Schalter sind elektronische Schalteinheiten vorhanden, die jedoch den mechanischen Schalter nur ergänzen sollen. Der bewegliche Teile enthaltende mechanische Schalter bewirkt im Wesentlichen den Abbau einer unerwünsch-
ten Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Leitung.
Derartige Einrichtungen zum Kurzschließen von zwei elektrischen Leitungen werden häufig in Bahnstromversorgungsanlagen eingesetzt. Bei Gleichstromversorgung ist die erste elektrische Leitung die Fahrschiene, die als Rückleitung dient, und die zweite elektrische Leitung ist die Strukturerde (Erdungsleitung) .
Bei Isolatorüberschlägen können Potentialunterschiede zwischen der Fahrschiene und der Strukturerde auftreten, die Baugruppen, die an den Fahrschienen angeschlossen sind, zerstören können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Kurzschließen von zwei elektrischen Leitungen zum Abbau einer Potentialdifferenz anzugeben, die weitgehend ohne bewegliche Teile auskommt.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass zum direkten Kurzschließen kein mechanischer Schalter vorhanden ist.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Kurzschließen durch konsequente Weiterentwicklung der Leistungshalbleiter allein durch die beiden elektronischen Schaltvorrichtungen zuverlässig bewältigt werden kann. Es wird der Vorteil erzielt, dass ein relativ langsam auslösender mechanischer Schalter vollständig vermieden wird. Trotzdem kommt man ohne sehr aufwendige elektronische Bauteile aus.
Beispielsweise weist jede elektronische Schaltvorrichtung ein Bauelement auf, das bei Überschreiten einer festen Spannung vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand wechselt. Durch dieses Bauelement ist der tolerierbare Differenzwert der Potentiale festzulegen.
Dieses Bauelement kann eine Kippdiode, eine Zenerdiode oder ein vergleichbares Bauelement sein.
Nach einem anderen Beispiel kann jede elektronische Schaltvorrichtung einen elektrischen Schalter aufweisen, der von einer zwischen der ersten und der zweiten Leitung angeordneten Spannungsüberwachungseinrichtung schaltbar ist und bei Überschreiten eines Schwellwertes sofort oder zeitverzögert schließt.
Dieser elektrische Schalter kann beispielsweise parallel zum Bauelement der jeweiligen elektronischen Schaltvorrichtung angeordnet sein, das z.B. eine Kippdiode sein kann. Dadurch wird eine Staffelung erzielt.
Ändert sich die Stromrichtung, wird die elektronische Schaltvorrichtung automatisch wieder geöffnet.
Um die elektronischen Schaltvorrichtungen unabhängig davon wieder hochohmig werden zu lassen, kann beispielsweise zwischen den elektronischen Schaltvorrichtungen einerseits und einer der beiden Leitungen andererseits eine Stromerfassungseinrichtung angeordnet sein, die über eine Steuerleitung mit einem Schalter in einer Verbindungsleitung zwischen den bei- den Leitungen in Verbindung steht. Der Schalter dient zum Zurückstellen oder Löschen von Halbleiterschaltelementen der elektronischen Schaltvorrichtung bei geschlossenem Schalter.
Wenn nun eine unkritische, kleine Stromstärke erfasst worden ist und die elektronische Schaltvorrichtung wieder hochohmig werden soll, wird der Schalter in der Verbindungsleitung kurzzeitig geschlossen. Dieser Schalter dient nicht zum Kurzschließen der beiden elektrischen Leitungen, sondern nur zum Zurückstellen (Löschen) der Halbleiterschaltelemente, damit diese stets zuverlässig arbeiten können.
Die elektronischen Schaltvorrichtungen können beispielsweise auch zeitverzögert schalten, um nur länger andauernde zu große Potentialdifferenzen zu unterdrücken. Dazu können die elektronischen Schaltvorrichtungen Thyristoren enthalten, die beispielsweise Ansprechzeiten von 1 bis 2 Mikrosekunden haben.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Thyristorbeschaltung wenigstens einen Thyristor, dessen Kathode mit der ersten elektrischen Leitung und dessen Anode mit der zweiten elektrischen Leitung verbunden ist. An das Gate des Thyristors ist eine Ansteuerschaltung geführt, die eine Reihenschaltung aus z.B. Kippdiode, Zündvorwiderstand und Schutzdiode umfasst .
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die Thyristorbeschaltung wenigstens einen Thyristor, dessen Kathode mit der zweiten elektrischen Leitung und dessen Anode mit der ersten elektrischen Leitung verbunden ist. An das Gate des Thy- ristors ist auch hierbei eine Ansteuerschaltung geführt, die eine Reihenschaltung aus z.B. Kippdiode, Zündvorwiderstand und Schutzdiode umfasst.
Die Kippdiode hat beispielsweise eine Zündspannung von 200 bis 800 Volt.
Mit der Einrichtung nach der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass mit einfachen Mitteln und ohne aufwendige mechanische Schalter zwei elektrische Leitungen zum Ab- bau einer Potentialdifferenz zuverlässig kurzgeschlossen werden können.
Ausführungsbeispiele für die Einrichtung zum Kurzschließen von zwei elektrischen Leitungen werden anhand der Zeichnung näher erläutert:
FIG 1 zeigt eine Einrichtung zum Kurzschließen mit Kippdioden.
FIG 2 zeigt eine Einrichtung zum Kurzschließen mit Spannungs- Überwachungseinrichtung und elektrischen Schaltern.
FIG 3 zeigt eine Kombination aus den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2.
FIG 4 zeigt die Ausführungsform nach Figur 3, die zusätzlich mit einem Schalter zum Zurückstellen oder Löschen von Halbleiterschaltelementen ausgestattet ist.
Alle Figuren zeigen eine erste Leitung 1, die eine Fahr- schiene sein kann und eine zweite Leitung 2, die eine Erdungsleitung sein kann. Zwischen den beiden Leitungen 1 und 2 kann es zu großen Potentialunterschieden kommen, die durch Kurzschließen ausgeglichen werden sollen. Dazu dienen zwei elektronische Schaltvorrichtungen 3 und 4, wobei die erste 3 schaltet, wenn das Potential der zweiten Leitung 2 größer als das Potential der ersten Leitung 1 ist, und wobei die zweite elektronische Schaltvorrichtung 4 schaltet, wenn das Potential der ersten Leitung 1 größer als das Potential der zweiten Leitung 2 ist. Jede der beiden elektronischen Schaltvor- richtungen 3 und 4 bestehen aus einem Thyristor 5, 6 und einer parallel zu diesem angeordneten Reihenschaltung aus erstens einer in gleicher Richtung wie der Thyristor 5, 6 durchlässigen Schutzdiode 7, 8 und zweitens einem Strombegrenzungswiderstand 9, 10.
Nach Figur 1 weist jede der Reihenschaltungen zusätzlich eine Kippdiode 11, 12 auf. Diese sind so aufgebaut, dass sie bei Erreichen eines bestimmten Potentials an ihrem Eingang öffnen und es somit ermöglichen, dass der zugeordnete Thyristor 5, 6 durchlässig geschaltet wird. Ein Zurückstellen oder Löschen der vorhandenen Halbleiterschaltelemente erfolgt, wenn der Potentialunterschied zwischen den beiden Leitungen 1 und 2
Null ist. Diese einfachste Variante einer Einrichtung zum Kurzschließen von zwei elektrischen Leitungen 1 und 2 zum Abbau einer Potentialdifferenz kommt ohne aufwendige Elektronik und insbesondere ohne aufwendige mechanische Schalter aus.
Figur 2 zeigt eine Variante, bei der die Kippdioden durch elektrische Schalter 13, 14 ersetzt sind. Alle anderen Bauteile entsprechen denen der elektronischen Schaltvorrichtungen 3 und 4, die in Figur 1 gezeigt sind. Diese elektrischen Schalter 13, 14 schließen bei Erreichen eines bestimmten
Schwellwertes der Potentialdifferenz zwischen den beiden Leitungen 1 und 2. Um diese Potentialdifferenz erkennen zu können, ist zwischen der ersten Leitung 1 und der zweiten Leitung 2 eine Spannungsüberwachungseinrichtung 15 angeordnet, die über Steuerleitungen mit den elektrischen Schaltern 13 und 14 in Verbindung steht. Der Vorteil gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 1 ist darin zu sehen, dass der Schwellwert für den Potentialunterschied, bei dem eine elektrische Schaltvorrichtung 3 oder 4 auslöst, variabel ist. Der Schwellwert kann durch geeignete Einstellung der Spannungs- überwachungseinrichtung 15 gewählt werden. Man kann also für das Kurzschließen je nach Bedarf unterschiedliche Schwellwerte wählen.
Die Ausführungsform nach Figur 3 zeigt eine Kombination der bisher geschilderten beiden Ausführungsformen. Dabei sind die aus der Figur 2 bekannten elektrischen Schalter 13, 14 parallel zu den aus der Figur 1 bekannten Kippdioden 11, 12 angeordnet. Die übrigen Bauteile stimmen mit den beschriebenen Ausführungsformen überein. Durch die Kombination aus Kippdiode 11, 12 und elektrischem Schalter 13, 14 in Verbindung mit einer Spannungsüberwachungseinrichtung 15 wird der Vorteil erzielt, dass die elektronischen Schaltvorrichtungen 3, 4 stets bei den durch die Kippdioden 11, 12 festgelegten Poten- tialunterschieden ansprechen und zusätzlich aber auch bereits schon bei einem geringeren Potentialunterschied, sofern die-
ser über die Spannungsüberwachungseinrichtung 15 das Schließen der elektrischen Schalter 13, 14 bewirkt.
Die Ausführungsform nach der Figur 4 entspricht weitgehend derjenigen nach Figur 3. Zusätzlich ist zwischen den beiden elektronischen Schaltvorrichtungen 3, 4 einerseits und der ersten Leitung 1 andererseits eine Stromerfassungseinrichtung 16 angeordnet. Diese ist über eine Steuerleitung mit einem Schalter 17 in einer Verbindungsleitung 18 zwischen den bei- den Leitungen 1 und 2 angeordnet. Damit wird der Vorteil erzielt, dass nicht nur wenn der Potentialunterschied zwischen den Leitungen 1 und 2 Null ist die Halbleiterschaltelemente der elektronischen Schaltvorrichtungen 3, 4 zurückgestellt oder gelöscht werden. Dieses Löschen kann auch bereits ausge- löst werden, wenn noch ein kleiner Strom durch die elektronischen Schaltvorrichtungen 3, 4 fließt. Ob der Strom einen Schwellwert unterschritten hat, wird dabei von der Stromerfassungseinrichtung 16 erkannt, die dann über eine Steuerleitung den als Löschrelais arbeitenden Schalter 17 schließt.
Alle Ausführungsformen nach der Erfindung kommen ohne aufwendige mechanische Schalter zum Kurzschließen aus, die direkt zwischen den beiden Leitungen 1 und 2 angeordnet sein üss- ten. Außerdem ist vorteilhafterweise keine aufwendige Elek- tronik erforderlich.