CH648704A5

CH648704A5 - Leistungsunterbrecherschaltungsanordnung zur selektiven unterbrechung eines lastkurzschlusses in einem stromversorgungssystem.

Info

Publication number: CH648704A5
Application number: CH7229/79A
Authority: CH
Inventors: Hotta Shigenori
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-08-08
Filing date: 1979-08-07
Publication date: 1985-03-29
Also published as: NL7905476A; FR2433232A1; DE2931440C2; SE7906664L; GB2028035A; US4240123A; IT7924836A0; JPS5840750Y2; BR7808103A; DE2931440A1; JPS5524791U; SE444879B; FR2433232B1; GB2028035B; IT1122669B

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungsunterbrecher-Schaltungsanordnung, welche selektiv nur eine durch einen Last-kurzschluss fehlerhafte Schaltung eines Stromversorgungssystems unterbricht.

Gemäss Fig. 1 ist es bekannt, in einem Stromversorungs-system einen Hauptunterbrecher M für die Zuleitung vorzusehen, welcher mit einem Anschluss mit der Stromquelle verbunden ist. Ferner sind Unterbrecher F|, F2... Fn für Verteilerleitungen vorgesehen, welche jeweils mit ihrem anderen Anschluss mit Lasten verbunden sind. Bei dem herkömmlichen Unterbrechersystem gemäss Fig. 1 muss man bei Auftreten eines Kurzschlusses in einer der Lastschaltungen mit dem Unterberecher Fi lediglich den Unterbrecher Fi betätigen, bevor der Hauptunterbrecher M unterbrochen wird, so dass eine fortgesetzte Einspeisung des Stroms in die nichtfehlerhaften Lastschaltungen stattfinden kann und nur die fehlerhafte Lastschaltung unterbrochen wird. Daher ist der Hauptunterbrecher M derart aufgebaut, dass er bei einem grossen Unterbrecherstrom unterbrochen wird, d.h. bei einem Unterbrecherstrom, wolcher grösser ist als die Unterbrecherströme der Verteilungsunterbrecher Fi, F2.... Fn. Alternativ kann der

Hauptunterbrecher M auch durch diesen grossen Strom in Verbindung mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit betätigt werden.

Bisher verwendete man daher als Hauptunterbrecher für den Kurzschlussstrom einen herkömmlichen Auslösemechanismus, z.B einen thermischen Bimetallauslösemechanismus oder einen elektromagnetischen Auslösemechanismus. Es ist bei den herkömmlichen System jedoch nicht möglich, die Schaltung in allen Fehlerstrombereichen selektiv zu unterbrechen. Fig. 2 zeigt die Betriebscharakteristik des Hauptunterbrechers M und des Speiseleitungsunterbrecher Fi unter den Bedingungen eines Kurzschlussfehlerzustandes in der mit dem Speiseleitungsunterbrecher Fi verbundenen Last (nicht gezeigt). Im Bereich grosser Ströme wird der Hauptunterbrecher M gleichzeitig mit dem Speiseleitungsunterbrecher Fi betätigt, so dass der Bereich mit selektiver Unterbrechung nur auf kleine Ströme beschränkt ist. Es ist bereits ein Leistungsunterbrechersystem mit einer Charakteristik gemäss Fig. 3 bekannt. Dabei weist der Hauptunterbrecher M ein zeitliches Auslöseverhalten mit einer verzögerten Betätigung auf. Man erzielt hierdurch eine selektive Unterbrechung in einem bestimmten Fehlerstrombereich. Dieser selektiv unterbrechbare Bereich ist jedoch auf relativ kleine Ströme beschränkt, z.B. auf etwa 10 bis 20 kA. Daher ist der Wert eines solchen Systems in der Praxis nicht sehr gross.

Es wurde bereits ein System mit einer Betriebscharakteristik gemäss Fig. 4 vorgeschlagen, um auch in Bereichen grosser Ströme eine selektive Unterbrechung herbeizuführen. In diesem Falle wird jedoch die Gesamtunterbrecherzeit t des Hauptunterbrechers M stark verlängert und liegt über der zulässigen Grenze von I2t (I = Unterbrecherstrom) der Widerstandsfähigkeit des Hauptunterbrechers M. Zur Verhinderung eines Überschreitens des zulässigen Grenzwerts I2t muss daher die Unterbrecherkapazität (d.h. t) des Hauptunterbrechers M beschränkt werden. Hierdurch wird die praktische Brauchbarkeit solcher Unterbrecher verringert.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu überwinden.

Erfindungsgemäss wird eine Leistungsunterbrecheranordnung geschaffen mit einem mit einer Stromquelle verbundenen Hauptunterbrecher und einer Vrielzahl von Speiseleitungsunterbrechern zwischen dem Hauptunterbrecher und einer Vielzahl von Lasten zur selektiven Unterbrechung nur der mit einem Fehlerstrom beaufschlagten Schaltung im Falle eines Lastkurzschlusses, gekennzeichnet durch eine Langzeit-unterbrechungs-Verzögerungsschaltung (9) und einer Kurz-zeitunterbrechungs-Verzögerungsschaltung (10) zur Verzögerung der Gesamtunterbrechungszeit eines Auslösemechanismus (4) des Hauptunterbrechers (M) und durch eine Strombe-grenzungseinrichtung zur Begrenzung des Fehlerstroms unter einem vorbestimmten Wert. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein herkömmliches Leistungsunterbrechersystem;

Fig. 2 die Betriebscharakteristik des herkömmlichen Systems gemäss Fig. 1 ;

Fig. 3 und 4 Betriebscharakteristika herkömmlicher Systeme mit erweitertem Bereich selektiver Unterbrechung;

Fig. 5 ein Blockschaltbild des erfindungsgemässen Leistungsunterbrechersystems ;

Fig. 6 ein Schaltbild des Hauptunterbrechers des erfindungsgemässen Unterbrechersystems ;

Fig. 7 die Strombegrenzungswellenform des erfindungsgemässen Systems;

Fig. 8 die Betriebscharakteristik des erfindungsgemässen Leistungsunterbrechers ; und

Fig. 9 ein Detailschaltbild einer Ausführungsform des Hauptunterbrechers gemäss Fig. 6.

Fig. 5 zeigt eine Blockschaltung mit einem Hauptunter-

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brecher M, einer permanenten Schmelzsicherung PF und einem Widerstand R. Die Permanentsicherung PF und der Widerstand R liegen parallel zueinander und bilden eine Strombegrenzungsschaltung. Ferner sind Speiseleitungsunterbrecher Fi, F2.... Fn vorgesehen. Der Hauptunterbrecher M hat den in Fig. 6 in Form eines Blockschaltbild gezeigten Aufbau. Die Schaltung gemäss Fig. 6 umfasst stromquellenseitige Anschlüsse 1 und lastseitige Anschlüsse 2 sowie einen Schaltmechanismus 3 und eine Auslösespule 4 und ferner einen Stromtransformator 5, welcher einen Zwischenstromtransfor-mator 51 umfasst. Ferner ist eine Maximalstromdetektorschaltung 6 vorgesehen sowie ein Vollweggleichrichter 7 und ein Spannungssensor 8, eine Langzeitgeberschaltung 9, eine Kurzzeitgeberschaltung 10 und eine Triggerschaltung 11.

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieses Systems erläutert werden. Der Strom einer jeden Phase fliesst in der Hauptschaltung zwischen den Anschlüssen 1 und 2. Dieser Strom wird durch die Primärseite des Stromtransformators 5 erfasst. Auf der Sekundärseite fliesst z.B. ein Strom von etwa 5 A, und dieser Strom wird durch den Zwischenstromtransforma-tor 51 auf 50 m A verringert. Dieser verringerte Strom (in der Grössenordnung von Milliampere) wird in die Maximalstrom-Detektorschaltung 6 eingespeist. Hier wird der Maximalstromwert in jeder Phase erfasst. Sodann erfolgt eine Voll-weggleichrichtung durch den Gleichrichter 7, und der gleichgerichtete Strom wird in den Spannungssensor 8 eingespeist, in dem das Eingangssignal in eine Spannung umgewandelt wird, und diese Spannung wird als Betätigungssignal in die Langzeitgeberschaltung 9 und die Kurzzeitgeberschaltung 10 eingespeist. Wenn das Spannungssignal sehr gross ist (falls ein grosser Überstrom durch die Hauptschaltung fliesst), so wird die Kurzzeitgeberschaltung 10 betätigt, derart, dass diese ein Triggersignal an die Triggerschaltung 11 abgibt. Wenn der Überstrom nicht so gross ist, so wird die Langzeitgeberschaltung 9 betätigt, und diese gibt ein Triggersignal an die Triggerschaltung 11 ab.

Wenn die Triggerschaltung 11 betätigt wird, so wird die Auslösespule 4 erregt, und der Schaltmechanismus 3 wird geöffnet, so dass der Fehlerstrom unterbrochen wird.

Im folgenden sollen die Maximumstrom-Detektorschal-tung 6, der Spannungssensor 8, die Langzeitgeberschaltung 9 und die Kurzzeitgeberschaltung 10 näher erläutert werden.

Gemäss Fig. 9 umfasst die Maximumstrom-Detektorschaltung 6 drei Diodenbrücken für jede Phase der Speiseleitung, und die Diodenbrücken sind in Reihe geschaltet, so dass der Maximumstrom durch den Spannungssensor 8 fliesst. In dem Spannungssensor 8 wird der Maximumstrom der Maximumstrom-Detektorschaltung 6 durch die Widerstände Ri, R2, R3 in eine entsprechende Spannung umgewandelt. Die Rate der Umwandlung des Maximumstroms in die entsprechende Spannung kann durch Verwendung eines variablen Widerstandes (Varistor), z.B. als Widerstand R2, variiert werden. Hierdurch kann der Nennstrom des Stromunterbrechers eingestellt werden.

Die Langzeitgeberschaltung 9 umfasst eine Zenerdiode 2a und Transistoren Qs, Qe. Wenn das Spannungssignal des Spannungssensors 8 niedrig ist (Normalzustand), so befindet sich der Transistor Qs im EIN-Zustand, während der Transistor Qe sich im AUS-Zustand befindet, und das Spannungssignal wird der Triggerschaltung 11 nicht zugeführt. Wenn das Spannungssignal höher ist als das Basispotential des Transistors Qs (abnormaler Zustand), so befindet sich der Transistor Qs im AUS«Zustand und der Transistor Qs befindet sich im EIN-Zustand und der Vorgang des Ladens des Kondensators Ci beginnt. Wenn die Ladespannung des Kondensators C2 einen vorbestimmten Spannungswert erreicht, so wird die Triggerschaltung 11 getriggert.

Die Ladegeschwindigkeit des Kondensators C2 wird geändert durch die Spannung des Spannungssensors 8, so dass man eine umgekehrte Zeitcharakteristik erhält, d.h. der durch den Transistor Qe fliessende Strom wird erhöht und die Zeit_ der Ausgabe des Signals an die Tiggerschaltung 11 wird verkürzt mit steigendem Spannungssignal.

Wenn das Spannungssignal des Spannungssensors 8 über einen vorbestimmten Pegel in der Kurzzeitgeberschaltung 10 erhöht wird, so befindet sich die Zenerdiode Zs in EIN-Zustand und der Transistor Q10 befindet sich ebenfalls im EIN-Zustand, und der Strom fliesst durch den Widerstand Rh und die Diode D23, wodurch der Kondensator Cs aufgeladen wird. Der Ladestrom wird durch eine Konstantspan-nungsquelle, welche durch die Zenerdiode Zio gebildet wird, bereitgestellt, so dass die Ladezeit konstant ist. Sobald die Aufladung des Kondensators Cs beendet ist, wird das Signal an die Triggerschaltung 11 ausgegeben.

Die Triggerschaltung 11 umfasst ein PUT (programmierbarer Transistor mit einem pn-Übergang) Qi und einen Thyristor Q9. Wenn die Ladespannung des Kondensators C2 oder Cs in der Zeitgeberschaltung den vorbestimmten Spannungswert erreicht, wird der PUT Qi eingeschaltet und der Thyristor wird betätigt, so dass der Strom durch die Auslösespule 4 fliesst. Nun wird der Auslösemechanismus betätigt und der Hauptunterbrecher M wird geöffnet.

Andererseits fliesst der Strom im Normalzustand vom Hauptunterbrecher M durjch die Permanentsicherung PF und durch die Speiseleitungsunterbrecher Fi, F2.... Fn zu den Lasten. Der Widerstand ist so gewählt, dass der Strom im wesentlichen nicht durch den Widerstand R fliesst. Wenn ein Kurzschluss in der Schaltung des Unterbrechers Fi eintritt, so verändert das Natriummetall seine Phase. Das Natriummetall bildet das Innenelement der Permanentsicherung PF, welche die Strombegrenzungsschaltung bildet. Durch diesen Fehlerstrom (Ipros) wird die Phase des Natriums in der Reihenfolge fest-flüssig-gasförmig geändert und die Permanentsicherung PF nimmt einen äusserst hohen Widerstand ein, wodurch der Strombegrenzungsvorgang gestartet wird. In diesem Falle wird gemäss Fig. 7 der Fehlerstrom auf den strombegrenzten Spitzenwert (Ipfc) begrenzt, und zwar durch die Permanentsi-cherung PF. Der Widerstand der Permanentsicherung PF liegt höher als der Widerstandswert des Widerstandselements R, welches parallelgeschaltet ist. Der Fehlerstrom (Ipros) fliesst durch den Widerstand R und die Permanentsicherung PF und der Strom (Ipfr) fliesst als dynamischer Strom.

Auf diese Weise wird der Fehlerstrom durch die Strombegrenzungseinrichtung begrenzt. Wenn der Fehlerstrom von 200 kA auf 10 bis 20 kA begrenzt wird, so kann man einen Hauptunterbrecher M mit einer Stromkapazität von 10 bis 20 kA (selektiver Unterbrecherbereich) und einen Speiseleitungsstrom-Unterbrecher Fi mit einer ähnlichen Stromkapazität für die selektive Unterbrechung verwenden, und zwar für den Fall eines höheren Fehlerstroms wie 200 kA. Somit erzielt man den gleichen Effekt wie mit einer Erweiterung des Bereichs selektiver Unterbrechung. Darüberhinaus wird die Gesamtunterbrecherzeit des Auslösemechanismus des Hauptunterbrechers verzögert, so dass eine selektive Unterbrechung erzielt wird und der selektive Unterbrechungsbereich erweitert wird. Als Speiseleitungsunterbrecher kann man handelsübliche Unterbrecher verwenden. Man kann anstelle des beschriebenen Hauptunterbrechers auch einen Niederspan-nungs-Luftunterbrecher verwenden oder einen Vakuumunterbrecher.

Bei Durchführung der selektiven Unterbrechung zwischen dem Hauptunterbrecher und dem Speiseleitungsunterbrecher wird gewähnlich ein Luftunterbrecher verwendet. Hierdurch wird der selektive Unterbrecherbereich vergrössert, und dies ist in der Praxis ein wesentlicher Effekt, obgleich ein Unterbrecher für Verdrahtung wirtschaftlich und kompakt ist.

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Erfindungsgemäss wird die Unterbrechungsverzögerungs-schaltung für die Verzögerung der Gesamtunterbrecherzeit -um eine vorbestimmte Zeitspanne durch den Auslösemechanismus des Hauptunterbrechers bereitgestellt und ferner eine Strombegrenzungsschaltung zur Begrenzung des Fehlerstroms auf einen unter einem vorbestimmten Pegel liegenden Wert. Hierdurch kann der Bereich selektiver Unterbrechung des Hauptunterbrechers und der Speiseleitungsunterbrecher, welche mit den Lasten verbunden sind, im Leistungsunterbre-5 chersystem erweitert werden.

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4 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Leistungsunterbrecher-Schaltungsanordnung mit einem mit einer Stromquelle verbundenen Hauptunterbrecher und einer Vielzahl von Speiseleitungsunterbrechern zwischen dem Hauptunterbrecher und einer Vielzahl von Lasten zur selektiven Unterbrechung nur der mit einem Fehlerstrom beaufschlagten Schaltung im Falle eines Lastkurzschlusses, gekennzeichnet durch eine Langzeitunterbrechungs-Verzöge-rungsschaltung (9) und einer Kurzzeitunterbrechungs-Verzö-gerungsschaltung (10) zur Verzögerung der Gesamtunterbre-chungszeit eines Auslösemechanismus (4) des Hauptunterbrechers (M) und durch eine Strombegrenzungseinrichtung zur Begrenzung des Fehlerstroms unter einem vorbestimmten Wert.
2. Leistungsunterbrecher-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzzeitunter-brechungs-Verzögerungsschaltung (10) unter den beiden Verzögerungsschaltungen für die Verzögerung der Unterbrechungszeit des Hauptunterbrechers anspricht und den Auslösemechanismus des Hauptunterbrechers betätigt, wenn ein sehr grosser Fehlerstrom fliesst, und dass die Langzeitunter-brechungs-Verzögerungsschaltung anspricht und den Auslösemechanismus betätigt, wenn ein relativ kleiner Fehlerstrom fliesst.
3. Leistungsunterbrecher-Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzzeit- und Langzeitunterbrechungs-Verzögerungsschaltungen halbleiterbestückte Schaltungen sind.
4. Leistungsunterbrecher-Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzzeit- und Langzeitunterbrechungs-Verzögerungsschaltungen jeweils durch ein Ausgangsspannungssignal einer Schaltung zur Umwandlung des Fehlerstroms in eine entsprechende Spannung betätigt werden.
5. Leistungsunterbrecher-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinrichtung eine Permanentsicherung (PF) und einen hierzu parallelgeschalteten Widerstand (R) umfasst.
6. Leistungsunterbrecher-Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenelement der Permanentsicherung (PF) der Strombegrenzungseinrichtung aus Alkalimetall, insbesondere aus Natrium, besteht.