Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit mehreren Shunts zur Erzeugung von stromproportionalen Spannungen in einer ein-, zwei-, vier- oder noch mehrphasigeren Stromversorgungsanordnung mit mindestens zwei, unterschiedliche Potentiale aufweisenden, elektrischen Leitungen.
Eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art ist aus der DE-OS 2 657 784 bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung werden die Ströme einer Stromversorgungsanordnung für eine Gebäudeheizeinrichtung durch Shunts geführt, um die in den Leitungen fliessenden Ströme zu erfassen und so beim Erreichen eines Stromhöchstwertes zumindest die überlastete Leitung abzuschalten. Die an den Klemmen der Shunts auftretenden Wechselspannungen sind proportional zu den durch die Shunts und durch die zugehörenden Leitungen fliessenden Strömen und werden jeweils an drei Verstärkern angelegt. Die ankommende Wechselspannung wird dort entsprechend den Scheitelwerten in eine Gleichspannung gleichgerichtet, die zu einer Fotodiode eines Optokopplers geführt wird.
Der Optokoppler gewährleistet die Uebertragung der stromproportionalen Signale und die galvanische Trennung zwischen der Stromversorgungsanordnung des Gebäudes und einer elektronischen Schutz- und Steuereinrichtung zur Abschaltung der überlasteten Leitungen. Mit dieser Schaltungsanordnung können nur Spannungen erzeugt werden, die den in den Leitungen fliessenden Strömen proportional sind. Die dazu erforderliche Schaltungsanordnung ist aber mit den vielen verwendeten Schaltelementen kompliziert und auch wirtschaftlich nachteilig. Ausserdem kann diese Schaltungsanordnung zur Erfassung eines allfälligen, aus einer der Leitungen zur Erde fliessenden Stromes nicht verwendet werden.
Zur Erfassung von Erdschlussströmen verwendet man allgemein sogenannte Summenstromwandler, wie beispielsweise aus der US-PS 4 234 900 bekannt ist. Durch den Summenstromwandler werden alle zum und vom Verbraucher fliessenden Ströme durchgeführt. Wenn kein Erdschluss vorhanden ist, ist die Summe der in allen Leitungen fliessenden Ströme in jedem Zeitpunkt gleich Null. Sobald aber verbraucherseitig vom Summenstromwandler Strom zur Erde fliesst, weicht die Summe aller durch den Summenstromwandler fliessenden Ströme von Null ab. Dieser Differenzstrom wird zur Anzeige eines Erdschlusses und zur Betätigung eines Erdschlussrelais benützt. Die Erdschlusserfassung mit einem Summenstromwandler ist aber mit einem verhältnismässig hohen Aufwand verbunden und ist wirtschaftlich nachteilig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Gattung vorzuschlagen, die wirtschaftlich vorteilhaft und nicht nur für die Erfassung der in den Leitungen fliessenden Ströme, sondern auch für die Erfassung eines Erdschlussstromes geeignet ist.
Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, dass in der Stromversorgungsanordnung eine der Anzahl der Leitungen entsprechende Anzahl, alle Leitungen umfassende Längsabschnitte vorgesehen ist und in jedem Längsabschnitt jeweils in einer anderen Leitung eine in jeder Leitung den gleichen lmpedanzwert aufweisende Shuntimpedanz vorhanden ist und an jeder Längsabschnittsgrenze an jeder Leitung eine den gleichen Impedanzwert aufweisende Messimpedanz angeschlossen ist, deren andere Anschlüsse an jeder Längsabschnittsgrenze je in einem gemeinsamen Punkt miteinander elektrisch leitend verbunden sind,
wobei zwischen den zu den nacheinanderfolgenden Längsabschnittsgrenzen gehörenden gemeinsamen Punkten eine einem in der zum jeweiligen Längsabschnitt gehörenden Shuntimpedanz fliessenden Strom proportionale Spannung und zwischen den zu den vor dem ersten Längsabschnitt und nach dem letzten Längsabschnitt liegenden Längsabschnittsgrenzen gehörenden gemeinsamen Punkten eine einem nach einer der Shuntimpedanzen verbraucherseitig aus der Stromversorgungsanordnung fliessenden Erdstrom proportionale Spannung messbar ist.
Vorteilhafterweise ist jede Shuntimpedanz und/oder jede Messimpedanz ein ohm'scher Widerstand.
An den Anschlüssen jeder Shuntimpedanz kann ein mit der zugeordneten Messimpedanz ausgangsseitig verbundener Verstärker angeschlossen sein, wobei alle Verstärker untereinander gleich sind.
Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine zweiphasige Schaltungsanordnung mit zwei Shunts und
Fig. 2 eine vierphasige Schaltungsanordnung mit vier Shunts.
Die in Fig. 1 dargestellte zweiphasige Schaltungsanordnung enthält zwei elektrische Leitungen S, T und dient zur Versorgung der Last 1 mit elektrischer Energie. Die Schaltungsanordnung weist zwei, beide Leitungen S, T umfassende Längsabschnitte auf, die zwischen den Längsabschnittsgrenzen 2 und 3, bzw. 3 und 4 liegen. In jedem Längsabschnitt ist in einer anderen Leitung S, T eine Shuntimpedanz Z vorhanden. Die Impedanzwerte aller Shuntimpedanzen sind gleich. An jeder Längsabschnittsgrenze 2, 3, 4 ist an jeder Leitung S, T ein Messimpedanz M entweder direkt oder über die Operationsverstärker 6, 7 angeschlossen. Alle Messimpedanzen M weisen den gleichen Impedanzwert auf. Die anderen, den Leitungen S, T abgekehrten Anschlüsse der Messimpedanzen M sind je Längsabschnittsgrenze 2, 3, 4 je in einem gemeinsamen Punkt 8, 9, 10 miteinander elektrisch leitend verbunden.
Es lässt sich zeigen, dass die zwischen den Punkten 8 und 9 messbare Spannung UT dem in der Leitung T fliessenden Strom IT und die zwischen den Punkten 9 und 10 messbare Spannung US dem in der Leitung S fliessenden Strom IS proportional ist. Zwischen den Punkten 8 und 10, die zu den vor dem ersten und nach dem letzten Längsabschnitt liegenden Längsabschnittsgrenzen 2 und 4 gehören, kann man eine Spannung UE messen, die dem nach einer der Shuntimpedanzen Z verbraucherseitig aus der Stromversorgungsanordnung fliessenden Erdstrom IE proportianal ist.
Um eine ausreichende Messgenauigkeit der stromproportionalen Spannungen US, UT zu erreichen, sind an die Toleranzen der Impedanzwerte und an die Temperaturkoeffizienten der Messimpedanzen M hohe Anforderungen gestellt. Dank den in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 verwendeten, den Spannungsabfall an den Shuntimpedanzen Z verstärkenden Operationsverstärkern 6, 7 können diese Toleranzwerte wesentlich höher gesetzt werden. Die speisungsseitigen Anschlüsse der Shuntimpedanzen Z sind an die nichtinvertierenden Anschlüsse der Operationsverstärker 6, 7 geführt. An den Ausgängen der Operationsverstärker 6, 7 sind die Messimpedanzen M angeschlossen. Zwischen den Ausgängen der Operationsverstärker 6, 7 und den lastseitigen Anschlüssen der Shuntimpedanzen Z ist je ein ohm'scher Teiler mit den Widerständen R1 und R2 angeschlossen.
Der zwischen den Widerständen R1 und R2 liegende Abgriff des Teilers ist jeweils zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 6, 7 geführt. Das Teilerverhältnis R1/R2 ergibt den wirksamen Verstärkungfaktor des Operationsverstärkers 6, 7. Zwischen den zu den Längsabschnittsgrenzen 2, 3, 4 gehörenden gemeinsamen Punkten 8, 9 und 10 der Messimpedanzen M erscheint jeweils der um das Verhältnis R1/R2 verstärkte Spannungsabfall an den Shuntimpedanzen Z. Zwischen den vor dem ersten und nach dem letzten Längsabschnitt liegenden gemeinsamen Punkten 8 und 10 misst man eine dem Erdstrom IE proportianale, aber im Verhältnis von R1/R2 verstärkte Spannung UE. Die grösse der Spannungen lässt sich mit den folgenden Formeln berechnen:
US = R1/R2 x Z / 2 x IS; -- UT = R1/R2 x Z / 2 x IT; -- und UE = R1/R2 x Z / 2 x IE.
In Fig. 2 ist eine in der Praxis selten vorkommende vierphasige Schaltungsanordnung mit vier Leitungen R, S, T, W zur Versorgung der Last 1 mit elektrischer Energie dargestellt. Eine in der Praxis, insbesondere bei Gleichrichtern vorkommende sechsphasige Anordnung hätte die Uebersichtlichkeit der Schaltungsanordnung nur störend beeinflusst, deshalb wird die Erfindung an dieser vierphasigen Anordnung weiter beschrieben. Die Lehre der Erfindung kann grundsätzlich auf jede beliebige Phasenzahl angewendet werden. Die Schaltungsanordnung ist in vier zwischen den Längsabschnittsgrenzen 11, 12, 13, 14, 15 liegende Längsabschnitte unterteilt. In jedem Längsabschnitt, in jeweils in einer anderen Leitung R, S, T, W ein Shuntimpedanz Z angeschlossen. Die Impedanzwerte der Shuntimpedanzen Z sind untereinander gleich.
An den Längsabschnittsgrenzen 11, 12, 13, 14, 15 sind an jeder Leitung R, S, T, W Messimpedanzen M direkt angeschlossen, die untereinander den gleichen Impedanzwert aufweisen. Die der Leitungen R, S, T, W abgekehrten Anschlüsse der Messimpedanzen M sind pro Längsabschnittsgrenze 11, 12, 13, 14, 15 je in einem gemeinsamen Punkt 16, 17, 18, 19, 20 miteinander elektrisch leitend verbunden. Zwischen den Längsabschnittsgrenzen 11 und 12 liegt die Shuntimpedanz Z in der Leitung W. Zwischen den zu diesen Längsabschnittsgrenzen 11, 12 gehörenden gemeinsamen Punkten 16 und 17 wird eine dem in der Leitung W fliessenden Strom IW proportionale Spannung UW auftreten. Ihre Grösse beträgt ein Viertel des Produktes aus dem Impedanzwert der Shuntimpedanz Z und aus dem Strom IW.
Aehnlich treten zwischen den gemeinsamen Punkten 17 und 18 dem Strom IT, zwischen den gemeinsamen Punkten 18 und 19 dem Strom IS und zwischen den gemeinsamen Punkten 19 und 20 dem Strom IR proportionale Spannungen UT, US, UR auf. Die Grösse dieser Spannungen ist jeweils ein Viertel des an der Shuntimpedanz Z vorhandenen Spannungsabfalls. Zwischen den gemeinsamen Punkten 16 und 20, die vor dem ersten Längsabschnitt, an der Längsabschnittsgrenze 11, bzw. nach dem letzten Längsabschnitt, an der Längsabschnittsgrenze 15 liegen, wird eine Spannung UE auftreten, die dem nach der Shuntimpedanz Z in der Leitung R verbraucherseitig aus der Stromversorgungsanordnung fliessenden Erdstrom IE proportional ist. Deshalb kann die Spannung UE in einem nicht dargestellten Schutzrelais zu Erdschlusschutzzwecke verwendet werden.
Die Grösse der Spannung UE ist wiederum ein Viertel des Produktes aus dem lmpedanzwert der Shuntimpedanz Z und aus dem Erdstrom IE.
Im allgemeinen kann die Grösse der zwischen den gemeinsamen Punkten messbaren Spannungen so berechnet werden, dass man den an der Shuntimpedanz Z vorhandenen Spannungsabfall (I x Z) mit der Anzahl der Leitungen dividiert. Dies gilt sinngemäss auch für die Berechnung der dem Erdstrom IE proportionalen Spannung UE.
Bei Mehrphasigen symmetrischen Stromversorgungsanordnungen mit mindestens drei Phasen und mit einem Erdpotential aufweisenden Sternpunkt liegen auch die gemeinsamen Punkte 16, 17, 18, 19, 20 auf Erdpotential. In einem solchen Fall ist zwischen der Stromversorgungsanordnung und einer an den gemeinsamen Punkten 16, 17, 18, 19, 20 angeschlossenen, nicht dargestellten, elektronischen Mess-, Steuer- oder Schutzeinrichtung eine Potentialtrennung nicht notwendig. So kann auch ein Potentialtrenntransformator, ein Optokoppler oder eine andere Potentialtrenneinrichtung eingespart werden.
In der Regel werden für die Shuntimpedanzen Z und/oder für die Messimpedanzen M rein ohm'sche Widerstände verwendet.
Besondere Vorteile der beschriebenen Schaltungsanordnung liegen darin, dass sie zur Erzeugung von stromproportionalen Spannungen geeignet ist, die einerseits den in den Leitungen einer ein-, zwei-, vier- oder noch mehrphasigeren Stromversorgungsanordnung fliessenden Strömen und anderseits dem zur Erde fliessenden Erdstrom proportional sind. Die Schaltungsanordnung ist einfach, aus wenigen Schaltelementen aufgebaut und wirtschaftlich vorteilhaft.
The present invention relates to a circuit arrangement with a plurality of shunts for generating current-proportional voltages in a one, two, four or even more phase power supply arrangement with at least two electrical lines having different potentials.
A circuit arrangement of the type mentioned at the outset is known from DE-OS 2 657 784. In this circuit arrangement, the currents of a power supply arrangement for a building heating device are passed through shunts in order to detect the currents flowing in the lines and thus at least switch off the overloaded line when a maximum current value is reached. The AC voltages that occur at the terminals of the shunts are proportional to the currents flowing through the shunts and through the associated lines and are each applied to three amplifiers. The incoming AC voltage is rectified there according to the peak values into a DC voltage, which is led to a photodiode of an optocoupler.
The optocoupler ensures the transmission of the current-proportional signals and the electrical isolation between the power supply arrangement of the building and an electronic protection and control device for switching off the overloaded lines. With this circuit arrangement only voltages can be generated which are proportional to the currents flowing in the lines. The circuit arrangement required for this is complicated with the many switching elements used and also economically disadvantageous. In addition, this circuit arrangement cannot be used to detect any current flowing from one of the lines to earth.
So-called summation current transformers are generally used to detect earth leakage currents, as is known, for example, from US Pat. No. 4,234,900. All currents flowing to and from the consumer are carried out by the total current transformer. If there is no earth fault, the sum of the currents flowing in all lines is zero at all times. However, as soon as current flows from the summation current transformer to the consumer, the sum of all currents flowing through the summation current transformer deviates from zero. This residual current is used to indicate an earth fault and to actuate an earth fault relay. However, ground fault detection with a summation current transformer involves a relatively high outlay and is economically disadvantageous.
The object of the present invention is to propose a circuit arrangement of the type mentioned at the outset which is economically advantageous and is suitable not only for the detection of the currents flowing in the lines, but also for the detection of an earth leakage current.
The object is achieved in that in the power supply arrangement there is a number corresponding to the number of lines, all the lines comprising longitudinal sections, and in each longitudinal section a shunt impedance having the same impedance value in each line is present and at each longitudinal section boundary each line is connected to a measuring impedance with the same impedance value, the other connections of which are electrically conductively connected to each other at each longitudinal section boundary at a common point
whereby between the common points belonging to the successive longitudinal section boundaries a voltage proportional to a current flowing in the shunt impedance belonging to the respective longitudinal section and between the common points belonging to the first longitudinal section and after the last longitudinal section one flows from the consumer side according to one of the shunt impedances voltage proportional to the earth current flowing in the power supply arrangement can be measured.
Each shunt impedance and / or each measurement impedance is advantageously an ohmic resistance.
An amplifier connected to the associated measuring impedance on the output side can be connected to the connections of each shunt impedance, all amplifiers being identical to one another.
Exemplary embodiments of the invention are described in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it
Fig. 1 shows a two-phase circuit arrangement with two shunts and
Fig. 2 shows a four-phase circuit arrangement with four shunts.
The two-phase circuit arrangement shown in FIG. 1 contains two electrical lines S, T and is used to supply the load 1 with electrical energy. The circuit arrangement has two longitudinal sections comprising both lines S, T, which lie between the longitudinal section boundaries 2 and 3, or 3 and 4. A shunt impedance Z is present in a different line S, T in each longitudinal section. The impedance values of all shunt impedances are the same. At each longitudinal section boundary 2, 3, 4, a measuring impedance M is connected to each line S, T either directly or via the operational amplifiers 6, 7. All measuring impedances M have the same impedance value. The other connections of the measuring impedances M facing away from the lines S, T are each electrically conductively connected to one another at a common point 8, 9, 10 at each longitudinal section boundary 2, 3, 4.
It can be shown that the voltage UT measurable between points 8 and 9 is proportional to the current IT flowing in line T and the voltage US measurable between points 9 and 10 is proportional to the current IS flowing in line S. Between points 8 and 10, which belong to the longitudinal section boundaries 2 and 4 located before the first and after the last longitudinal section, a voltage UE can be measured, which is proportional to the earth current IE flowing from the power supply arrangement on the consumer side after one of the shunt impedances Z.
In order to achieve sufficient measuring accuracy of the current-proportional voltages US, UT, high demands are placed on the tolerances of the impedance values and on the temperature coefficients of the measuring impedances M. Thanks to the operational amplifiers 6, 7 used in the circuit arrangement according to FIG. 1 and amplifying the voltage drop across the shunt impedances Z, these tolerance values can be set significantly higher. The supply-side connections of the shunt impedances Z are connected to the non-inverting connections of the operational amplifiers 6, 7. The measuring impedances M are connected to the outputs of the operational amplifiers 6, 7. An ohmic divider with the resistors R1 and R2 is connected between the outputs of the operational amplifiers 6, 7 and the load-side connections of the shunt impedances Z.
The tap of the divider located between the resistors R1 and R2 is led to the inverting input of the operational amplifier 6, 7. The divider ratio R1 / R2 gives the effective amplification factor of the operational amplifier 6, 7. Between the common points 8, 9 and 10 of the measuring impedances M belonging to the longitudinal section boundaries 2, 3, 4, the voltage drop across the shunt impedances is increased by the ratio R1 / R2 Z. Between the common points 8 and 10 lying before the first and after the last longitudinal section, a voltage UE proportional to the earth current IE, but increased in the ratio of R1 / R2, is measured. The size of the stresses can be calculated using the following formulas:
US = R1 / R2 x Z / 2 x IS; - UT = R1 / R2 x Z / 2 x IT; - and UE = R1 / R2 x Z / 2 x IE.
2 shows a four-phase circuit arrangement with four lines R, S, T, W, which is rare in practice, for supplying the load 1 with electrical energy. A six-phase arrangement occurring in practice, in particular in the case of rectifiers, would only have a disruptive effect on the clarity of the circuit arrangement, which is why the invention is further described in this four-phase arrangement. The teaching of the invention can in principle be applied to any number of phases. The circuit arrangement is divided into four longitudinal sections lying between the longitudinal section boundaries 11, 12, 13, 14, 15. A shunt impedance Z is connected in each longitudinal section, in each case in a different line R, S, T, W. The impedance values of the shunt impedances Z are identical to one another.
At the longitudinal section boundaries 11, 12, 13, 14, 15 measuring impedances M are connected directly to each line R, S, T, W, which have the same impedance value among each other. The connections of the measuring impedances M facing away from the lines R, S, T, W are each electrically conductively connected to one another at a common point 16, 17, 18, 19, 20 per longitudinal section boundary 11, 12, 13, 14, 15. The shunt impedance Z lies in the line W between the longitudinal section boundaries 11 and 12. Between the common points 16 and 17 belonging to these longitudinal section boundaries 11, 12, a voltage UW proportional to the current IW flowing in the line W will occur. Their size is a quarter of the product of the impedance value of the shunt impedance Z and the current IW.
Similarly, between the common points 17 and 18 the current IT, between the common points 18 and 19 the current IS, and between the common points 19 and 20 the voltages UT, US, UR proportional to the current IR. The magnitude of these voltages is a quarter of the voltage drop present at the shunt impedance Z. Between the common points 16 and 20, which lie before the first longitudinal section, at the longitudinal section boundary 11, or after the last longitudinal section, at the longitudinal section boundary 15, a voltage UE will occur which, according to the shunt impedance Z in the line R, is from the consumer side the earth current IE flowing in the power supply arrangement is proportional. Therefore, the voltage UE can be used in a protective relay (not shown) for earth fault protection purposes.
The magnitude of the voltage UE is in turn a quarter of the product of the impedance value of the shunt impedance Z and the earth current IE.
In general, the magnitude of the voltages that can be measured between the common points can be calculated by dividing the voltage drop (I x Z) at the shunt impedance Z by the number of lines. This applies analogously to the calculation of the voltage UE proportional to the earth current IE.
In the case of multi-phase symmetrical power supply arrangements with at least three phases and with a star point having a ground potential, the common points 16, 17, 18, 19, 20 are also at ground potential. In such a case, a potential separation is not necessary between the power supply arrangement and an electronic measuring, control or protective device, not shown, connected to the common points 16, 17, 18, 19, 20. A potential isolation transformer, an optocoupler or another potential isolation device can also be saved.
As a rule, purely ohmic resistances are used for the shunt impedances Z and / or for the measuring impedances M.
Particular advantages of the circuit arrangement described are that it is suitable for generating current-proportional voltages which are proportional to the currents flowing in the lines of a single, two, four or even more phase power supply arrangement and on the other hand to the earth current flowing to earth. The circuit arrangement is simple, constructed from a few switching elements and economically advantageous.