DD282298A5 - Schaltung zum ueberwachen des betriebsstromes in stromkreisen von mehrphasenwechselstrom-elektroenergieverbrauchern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum UEberwachen des Betriebsstromes in Stromkreisen von Mehrphasenwechselstrom-Elektroenergieverbrauchern, mit der der durch einen Mehrphasenwechselstromverbraucher flieszende Strom phasenweise erfaszt, gemessen und bewertet werden kann. Sie sieht vor, dasz der stromproportionale Spannungsabfall, der ueber den kalibrierten Schmelzsicherungen in den Leistungsstromkreisen ansteht, als Meszgroesze genutzt wird. Spannungsbegrenzer aus vorzugsweise nach Serienwiderstaenden an beiden Anschluszpunkten angeordneten antiparallelen Dioden verhindern im Falle eines Sicherungsausfalles UEberspannungen an der Meszschaltung. Die Serienwiderstaende schuetzen vor zu hohem Beruehrungsstrom an nachgelegenen Schaltungsteilen. Die auf diese Weise gewonnenen Meszsignale dienen nach entsprechender Auswertung, die mit an sich herkoemmlicher Schaltungstechnik vorgenommen wird, dem Messen des Betriebsstromes des Mehrphasenwechselstromverbrauchers, dessen Abschalten bei UEberstrom und im Zusammenhang mit je einem Spannungsindikator an den speisenden Stromschienen der Signalidentifizierung "Ausfall einer Schmelzsicherung". Figur{Schmelzsicherung; Amperemeter; UEberstromausloeser; Stromwandler; Diodenbegrenzer; Schaltanlage; Betriebsstrom; Strommessung; Mehrphasenwechselstrom}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist für Mehrphasenwechselstrom-Abgänge in starkstromtechnischen Schaltanlagen, vorzugsweise in Niederspannungsschaltanlagen, überall dort anwendbar, wo nach traditioneller Technik Strommeßeinrichtungen und Überstromauslöser eingesetzt werden.

Die Erfindung kann insbesondere vorteilhaft zum Koppeln derartiger Niederspannungsschaltanlagen an informationsverarbeitende Elektronik verwendet werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Für die technische Aufgabe des Erfassens des Betriebsstromes von Elektroenergieverbrauchern sind verschiedene Lösungen bekannt. Neben einer Direktmessung im Kleinleistungsbereich von Strömen bis etwa 20 A, bei der Shunts von Strommeßgeräten vom Betriebstrom des Verbrauchers durchflossen werden, sind Messungen über zwischen Hauptstrompfad und Meßstrompfad geschaltete Stromwandler üblich.

In Niederspannungsschaltanlagen wt rden Mehrphasenwechselstrom-Abgänge für Leistungsverbraucher gewöhnlich rls Reihenschaltung von phasenweise ode, kombiniert vorhandenen Schmelzsicherungen, Überstromauslöseeinrichtungen, Strommeßeinrichtungen und dem eigentlichen Schaltorgan, beispielsweise einem Schütz, ausgeführt. Dabei ist es typisch, daß Schmelzsicherungsarmatur, Überstromauslöser und Meßeinrichtung als separate Einzelfunktionseinheiten ausgeführt und durch Schraubverbindungen unmittelbar oder über Stromschienen oder Kabel miteinander verbunden sind. Zur Zustandskontrolle der Schaltanlage sind neben der Strommessung die Spannungs- oder Potentialverhältnisse an den Verbindungspunkten der genannten Reihenschaltungen von Interesse. Besonders wichtig sind hierbei zum Zweck der Indikation von Energieausfällen und der Kontrolle der Schmelzsicherungen die Meßpunkte unmittelbar vor und nach den Schmelzsicherungen. Es sind eine Reihe technischer Lösungen bekannt, deren Aufgaben im Erfassen dieser Binärgrößen, in deren Kombination oder in der Wandlung zur weiteren Signalverarbeitung bestehen. Konstruktive oder funktionell Einheiten derartiger Spannungswächter oder Sicherungsausfallmelder mit Einrichtungen zum Überwachen oder Messen des Betriebsstromes sind nicht bekannt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, anstelle der bisher in Mehrphasenwechselstrom-Abgängen von Schaltanlagen in Reihenschaltung eingesetzten Baueinheiten Schmelzsicherung, Überstromauslöser und Strommeßeinrichtung je Phase oder kombiniert nur noch eine gemeinsame Baueinheit einzusetzen.

Auf diese Weise sollen Material- und Platzbedarf verringert und durch Wegfall der Schraubverbindungen zwischen den Baueinheiten Montage- und Wartungsaufwand reduziert sowie die Zuverlässigkeit der Anlage erhöht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bisher mit separaten Baueinheiten realisierten Funktionen Petriebsstrommessung, Auslösen des Schaltorganes bei Überstrom und Unterbrechen des Stromweges im Kurzschlußfall mit je einer baulichen Einheit abzusichern. Ferner soll in Kombination mit Spannungsindikatoren, die mit der erfindungsgemäßen baulichen Einheit verbunden sind, die Signalgewinnung für eine detaillierte Diagnose des jeweils aktuellen Betriebszustandes jedes Sirompfades bei unmittelbarer Verwendbarkeit der Signale für vorzugsweise elektronische Steuerungen problemlos möglich sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in der Weise gelöst, daß parallel zur Schmelzsicherung jedes Laststromkreises eine an sich herkömmliche Spannungsbegrenzerschaltung aus nach einem Serienwiderstand angeordneten antiparallelen Dioden geschaltet ist.

Durch Anordnen je eines ausreichend großen Serienwiderstandes in beiden Zuleitungen der Schaltung wird erreicht, daß aus Arbeitsschutzgründen maximal zulässige Berührungsströme nicht überschritten werden. Darüber hinaus verhindern Feinsicherungen, die ebenfalls vorzugsweise in beiden Zuleitungen angeordnet werden, daß zu hohe Ströme, beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses, auftreten können.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird der an sich störende, annähernd stromproportionale Spannungsabfall zur Strommessung genutzt, der infolge des ohmschen Widerstandes der Schmelzsicherung auftritt. Bei geschlossenem Schaltorgan und dazu in Reihe befindlicher ausgefallener Schmelzsicherung liegt die volle Betriebsspannung an deren Klemmen an. Aus diesem Grunde sind die nachgeschalteten elektronischen Baugruppen vor diesem Betriebsfall zu schützen, was mit der erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzerschaltung geschieht.

Das Spannungssignal, das über den antiparallelen Dioden ansteht, ist in der jeweils betrachteten Phase

- gleich Null im Falle eines abgeschalteten Verbrauchers oder bei fehlender Betriebsspannung,

- annähernd proportional dem Betriebsstrom des Verbrauchers bis zur Größenordnung von etwa 20OmV und

- gleich der Schleusenspannung der Dioden (bei Siliziumdioden etwa 70OmV) im Falle einer bei eingeschaltetem Verbraucher defekten Schmelzsicherung.

Diese Spannungsdifferenzen sind ausreichend groß, um vermittels bekannter elektronischer Funktionseinheiten Signalbewertungen, zum Beispiel mit den Aufgaben

- Messen des Betriebsstromes des Verbrauchers

- Auslösen von Schalthandlungen bei Stromschwellwerten oder

- Differenzieren von Störungen der Schaltanlage einphasig oder kombiniert ausführen zu können.

Um die über den antiparallelen Dioden des Spannungsbegrenzers anstehenden Spannungswerie nicht zu verfälschen, müssen die nachfolgenden elektronischen Schaltungen Eingangswiderstände aufweisen, die sehr viel größer als die Serienwiderstände sind. Häufig werden Mehrphasenwechselstrom-Verbr:"jcher automatisch abgeschaltet, wenn eine Schmelzsicherung ausfällt.

Der Abschaltvorgang wird jedoch sachbedingt erst kurz nach dem Ausfall der Sicherung wirksam, so daß das zwischendurch kurzzeitig auftretende Spannungssignal in Höhe der Schleusenspannungen der Dioden einen Sicherungsausfall von der Wirkung normaler Abschaltvorgänge auf die erfindungsgemäße Schaltung unterscheidbar macht. Zur Signaldifferenzierung zwischen abgeschaltetem Verbraucher und Betriebsspannungsausfall ist allerdings noch eine zusätzliche in bekannter Weise realisierbare Schaltung zur Spannungsindikation am Speiseanschluß jeder Schmelzsicherung erforderlich, die als Einheit mit der erfindungsgemäßen Schaltung aufgebaut sein kann.

Als weitere binäre Schaltsignale sind aus der erfindungsgemäß verwendeten Meßgröße zum Beispiel Schaltschwellen ableitbar, die zum einen ein Abschalten des Verbrauchers analog einem Überstromauslöser oder andererseits eine Schutzabschaltung der Meßeinrichtung bewirken.

Die erfindungsgemäße Schaltung hat die Voraussetzung, daß Schmelzsicherung und Schaltung zueinander passen müssen.

Ersatzsicherungen müssen stets vom gleichen Typ sein. Da moderne Schmelzsicherungen im hier interessierenden Leistungsbereich exakt kalibrierte Bauelemente sind, sind unter der genannten Voraussetzung praktisch ausreichende Meßgenauigkeiten erzielbar.

Als weitere Bedingung für eine ordnungsgemäße Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung sind die Übergangswiderstände in der Sicherungsarmatur, die durch Kontaktunsicherheiten auftreten können, möglichst gering zu halten.

Durch Anwenden der erfindungsgemäßen Schaltung können die bisher in Mehrphasenwechselstrom-Abgängen von Schaltanlagen in Reihenschaltung eingesetzten Baueinheiten Schmelzsicherung, Überstromauslöser und Strommeßeinrichtung je Phase oder kombiniert durch eine einzige Baueinheit ersetzt werden. Auf diese Weise werden Material- und Platzbedarf verringert. Durch Wegfall der Schraubenverbindungen zwischen den Baueinheiten reduzieren sich Montage- und Wartungsaufwand bei gleichzeitigem Erhöhen der Zuverlässigkeit der Anlage.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an einem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figur zeigt die Schaltung eines dreiphasigen Abganges einer Niederspannungsschaltanlage, bei dem ein Verbraucher 4 für Dreiphasenwechselstrom über Schmelzsicherungen 2 und ein durch ein Binärsignal y angesteuertes dreiphasiges Schütz 3 von Sammelschienen 1 mit den Phasen L1, L2 und L3 gespeist wird. Zwischen den Anschlußpunkten unmittelbar vor und nach jeder Schmelzsicherung 2 sind nach je einer Feinsicherung 5 und einem Serienwiderstand 6 in jeweils beiden Zuleitungen je ein antiparallel geschaltetes Paar Dioden 7 parallel zu jeder Schmelzsicherung ? angeordnet

Der Übersichtlichkeit halber ist in der Figur nur die Schaltung für die Phase L1 dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Die Schaltungen für die Phasen L2 und L3 sind sinngemäß gleich aufgebaut.

Über eine zweiadrige Signalleitung 8 wird eine in der Figur als Prinzipschaltung dargestellte elektronische Schaltung gespeist. Die elektronische Schaltung besteht aus einem Spannungsindikator 9 mit dem binpren Ausgangssignal x1.1, der zwischen Sammelschienenpotential und Betriebserde geschaltet ist und einer Schaltung, die parallel zu den Dioden 7 angeordnet ist. Letztere besteht aus einer Reihenschaltung aus einem Signalverstärker 10, einem Gleichrichter 11, einem Linearisierungsglied 12, einer Strommeßeinrichtung und dreier Schwellwertschalter 13 mit den binären Ausgangssignalen x2.1, x3.1 beziehungsweise x4.1. Die Strommeßesirichtung besteht aus einer Reihenschaltung aus einem Addierglied 18, einem Drittelglied 19, einem Spannungs-Strom-Wandler 14 und einem Amperemeter 15. Ein vom Signal x4.1 angesteuertes Relais K1 unterbricht den Signalpfad zum Addierglied 18.

Die beiden weiteren, mit den Bezeichnungen (L 1) und (L 2) angedeuteten Eingänge des Addiergliedes 18 sind mit den entsprechenden Anschlüssen aus den Schaltungen zu den Phasen L2 bzw. L3 belegt.

Den beiden Schwellwertschaltern 13 mit den Ausgangssignalen χ2.1 bzw. χ3.1 ist je ein ODER-Glied 17 nachgeschaltet. Die anderen beiden Eingänge der ODER-Glieder 17 sind jeweils mit den entsprechenden Signalen x2.2 und x2.3 bzw. x3.2 und x3.3 aus den Schaltungen zu den Phasen L2 und L3 belegt. Das ODER-Glied 17 mit den Eingängen x2.i liefert das binäre Ausgangssignal χ 2, das mit den Eingängen x3.i erzeugt χ 3.

Dem Spannungsindikator 9 ist ein ODER-Glied mit negierten Eingängen 16 nachgeschaltet, dessen andere beiden Eingänge mit den entsprechenden Signalen χ 1.2 bzw. χ 1.3 aus den Schaltungen zu den Phasen L2 und L3 belegt sind. Das ODER-Glied mit negierten Eingängen 16 liefert da's binäre Ausgangssignal x1.

Die Feinsicherungen 5 schützen nachgelagerte Schaltungsteile im Kurzschlußfall. Die Serienwiderstände 6 sind mindestens so groß zu dimensionieren, daß sie den Berührungsstrom gegen Erde auf den nach Arbeitsschutzbestimmungen maximal zulässigen Wert begrenzen. Bei einer erdpotentialbezogenen Schienenspannung von 220 Volt + 10% Wechselspannung an jeder Sammelschiene 1 ist beispielsweise je ein Serienwiderstand 6 von 18 kOhm ausreichend, um den Kurzschlußstrom gegen Erde bei Scheitelwert der Überspannung mit Sicherheit unter 2OmA zu halten. Bei konstruktiv sicher angeordneten Serienwiderständen 6 können die Feinsicherungen 5 wegen dei beschriebenen Strombegrenzung entfallen.

Das Spannungssignal, das über den den Serienwiderständen 6 nachgeschalteten antiparallelen Dioden 7 ansteht, ist

- gleich Null im Falle eines abgeschalteten Verbrauchers 4 oder bei fehlender Betriebsspannung an der Sammelschiene 1 der entsprechenden Phase,

- annähernd proportional dem phasenbezogenen Betriebsstrom des Verbrauchers 4 bis zur Größenordnung von etwa 20OmV und

- gleich der Schleusenspannung der Dioden 7 (bei Siliziumdioden etwa 70OmV) im Falle einer bei eingeschaltetem Verbraucher 4 defekten Schmelzsicherung 2 in jeder Phase.

Es w'· d in der nachgelagerten Schaltung ausgewertet.

Der bisher beschriebene Teil der Schaltung ist jeweils unmittelbar an der Sicherungsarmatur der Schmelzsicherungen 2 in der Schaltanlage selbst angeordnet. Über die Signalleitung 8 werden die nachgelagerten Schaltungsteile zweckmäßig räumlich davon getrennt, beispielsweise in einer Automatisierungsanlage, angeordnet. Die Eingangswiderstände der Folgestufen Spannungsindikator 9 und Signalverstärker 10 müssen groß gegenüber den Serienwiderständen 6 sein, mindestens jedoch 100 kOhm, um das Meßsignal nicht merklich zu verfälschen. Wenn beispielsweise Operationsverstärker mit Feldeffekttransistor-Eingangsstufen oder CMOS-Bauelemente verwendet werden, sind Eingangswiderstände dieser Größe problemlos erreichbar. Das binäre Ausgangssignal χ 1.1 des Spannungsindikators 9 dient der Unterscheidung eines Spannungsausfalles an der L1-Sammelschiene 1 vom Betriebsfall mit abgeschaltetem Verbraucher 4. Zur speziellen Fehlermeldung kann es sinnvoll sein, die 8inärsignale χ 1.i einzeln zu erfassen. Ebenso ist das nach dem ODER-Glied mit negierten Eingängen 16 zur Verfügung stehende Signal χ 1 für die weitere Signalverarbeitung von Interesse, da es bei mehrphasigen Verbrauchern 4 für das Auslösen von Zwangsabschaltungen infolge Speisespannungsausfall gleichgültig ist, welche und wie viele Phasen ausgefallen sind. Das über den antiparallelen Dioden 7 erfaßte Spannungssignal wird imSignaiverstärker 10 verstärkt und im Gleichrichter 11 gleichgerichtet und geglättet. Das dem Gleichrichter 11 nachgeschaltete Linearisierglied 12 kompensiert durch thermische Effekte in der Schmelzsicherung 2 auftretende Abweichungen des Zusammenhanges zwischen dem phasenbezogenen Betriebsstrom des Verbrauchers 4 und dem Spannungsabfall über der Schmelzsicherung 2 dieser Phase vom Linearverhaltfin. Das Spannungssignal nach dem Linearisierglied 12 wird im dargestellten Beispiel zur Betriebsstrommessung des Verbrauchers 4 herangezogen, indem das arithmetische Mittel aus den entsprechenden Signalen aller Phasen gebildet wird. Anderenteils speist dieses Spannungssignal die Schwellwertschalter 13. Deren Ausgangssignale x2.1 bzw. x3.1 werden nach der Kombination mit den jeweils entsprechenden Signalen der anderen Phasen in den ODER-Gliedern 17 zu den binären Ausgangsgrößen x2 bzw. x3 verknüpft. Diese beiden Binärsignale bewirken bei entsprechend unterschiedlich eingestellten Schaltschwellen: χ 2, daß der Verbraucher 4 über das Schütz 3 bei Überstrom, indem die Schützsteuerspannung y auf Null gesetzt wird,

abschaltet

x3, daß das kurzzeitig zwischen einem Ausfall einer Schmelzsicherung 2 und dem diesem Ereignis folgenden Abschalten des Verbrauchers 4 auftretende Spannungssignal in Höhe der Schleusenspannung der Dioden 7 zur Unterscheidung der Störursachen „Spannungsausfall an einer Sammelschiene 1" und „Ausfall einer Schmelzsicherung 2" in der Steuerung registriert wird.

Das vom dritten der dargestellten Schwellwertschalter 13 erzeugte binäre Ausgangssignal x4.1, bzw. die entsprechenden Signale x4.i der anderen Phasen bewirken, daß das Amperemeter 15, dessen Meßbereichsobergrenze bei etwa 200mA liegt, beim Auftreten höherer Spannungswerte über die Öffnerkontakte ki.1 der Relais Ki zeitweilig von der Meßspannung getrennt wird.

Claims (3)

1. Schaltung zum Überwachen des Betriebsstromes in Stromkreisen von Mehrphasenwechselstrom-Elektroenergieverbrauchern, gekennzeichnet dadurch, daß pro Phase parallel zu den Schmelzsicherungen der Laststromkreise des Verbrauchers je ein Spannungsbegrenzer aus nach einem Serienwiderstand angeordneten antiparallelen Dioden geschaltet ist.

2. Schaltung zum Überwachen des Betriebsstromes in Stromkreisen von Mehrphasenwechselstrom-Elektroenergieverbrauchern nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Serienwiderstand in jeder Speiseader der Schaltung je ein ohmscher Widerstand angeordnet ist.

3. Schaltung zum Überwachen des Betriebsstromes in Stromkreisen von Mehrphasenwechselstrom-Elektroenergieverbrauchern nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß jeweils unmittelbar nach den beiden Speisepunkten je eine Feinsicherung angeordnet ist.