DE10117372A1 - Schutzeinrichtung, Schutzanordnung und Schutzverfahren für eine elektrische Leitung - Google Patents

Abstract

Damit bei einer Schutzeinrichtung (1) für eine elektrische Leitung (5) eine kontinuierliche Energieversorgung trotz eventuell auftretender Störeinflüsse gegeben ist, ist die Schutzeinrichtung (1) mit einem ersten und einem zweiten Auswerteglied (4a, 4b) versehen, wobei das erste Auswerteglied (4a) mit einem in der Leitung (5) angeordneten Halbleiterschalter (6) in Wirkverbindung steht. Bei Erfüllung einer ersten Auslösebedingung wird dem Halbleiterschalter (6) ein Ausschaltsignal (7a) zugeführt, wodurch ein Ausschaltvorgang im Halbleiterschalter (6) erzeugt ist. Bei Nichterfüllung einer zweiten Auslösebedingung bricht das zweite Auswerteglied (4b) den Ausschaltvorgang ab.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung, eine Schutzanordnung sowie auf ein Schutzverfahren für eine elekt­ rische Leitung, wobei durch ein erstes und ein zweites Aus­ werteglied in Wirkverbindung mit einem Halbleiterschalter an­ hand definierbarer Auslösebedingungen eine gewünschte Schutz­ funktion gegeben ist bzw. bewirkt wird.

Die Auswerteglieder haben dabei eine Schutzfunktion gegen Überströme, wobei der Halbleiterschalter als Schutzschalter dient. Unter Schutzschalter wird vorliegend ein Schalter oder auch ein Schaltgerät verstanden, welches in Abhängigkeit ei­ nes Schaltsignals seinen Schaltzustand verändert. Der Schal­ ter weist dabei ein ausreichend großes Schaltvermögen beim Zu- oder Abschalten einer Leitung, eines Betriebsmittels, ei­ nes Verbrauchers oder eines Anlagenteils, insbesondere unter Kurzschlussbedingungen, auf.

Die Grundlage der Schutzfunktion der Auswerteglieder gegen Überströme, insbesondere Kurzschlussströme, ist zum einen beispielsweise durch ein Schutzrelais gegeben, welches bei einem Kurzschluss einen Abschaltvorgang beim Schutzschalter bewirkt. Die Schutzfunktion kann ggf. auch mittels einer Er­ kennungsschaltung für Überströme realisiert werden. Zum ande­ ren kommt eine sogenannte Abzweigschutztechnik zum Einsatz, welche gestützt durch abgestimmte Algorithmen eine Impedanz­ messung für einen vorgesehenen Schutzbereich vorsieht. Diese Algorithmen sind denen der Distanzschutztechnik ähnlich. Die Distanzschutztechnik wird im wesentlichen in der Mittel- und/oder Hochspannungstechnik eingesetzt.

Schutzschalter sind in verschiedenen Ausführungsvarianten aus dem Lehrbuch Fachkunde Elektrotechnik, Lektorat Professor Dr. Günter Springer, Verlag Europa-Lehrmittel, Europa-Nr. 30138 bekannt. Geläufig ist zudem die oben genannte Distanzschutz­ technik, welche im Fachbuch Digitale Schutztechnik von Dr.- Ing. Hans-Joachim Herrmann, VDE-Verlag GmbH, ISBN 3-8007- 1850-2, erläutert ist.

Bei der Distanzschutztechnik gemäß des oben zitierten Standes der Technik werden ein Überstromschutzorgan und ein Distanz­ schutzelement über eine logische UND-Verknüpfung miteinander verbunden, wobei ein Ausschaltsignal nur bei Erfüllung der UND-Bedingung erfolgt.

Werden Halbleiterschalter in der Funktion als Schutzschalter eingesetzt, so besteht die Notwendigkeit im Kurzschlussfall sehr rasch abzuschalten, da im Vergleich zu einem mechani­ schen Schutzschalter ein sehr viel kleineres Energieaufnahme­ vermögen gegeben ist. Bei Silicium-Halbleiterschaltern muß innerhalb weniger µs abgeschaltet werden, damit die maximale Belastung gemäß einer zugehörigen, zulässigen Avalancheener­ gie oder einer SCSOA (Short-Circuit-Safe-Operating-Area) nicht überschritten wird.

Auf Grund der Notwendigkeit eines sehr schnellen Ansprechens der auf den Schutzschalter wirkenden Auswertegliedern, insbe­ sondere des Überstromschutz- und des Distanzschutzorgans, kann dies zu einer Fehlauslösung des Schutzschalters führen. Dies kann durch den Umstand bedingt sein, dass keine ausrei­ chend lange Auswertezeit zur Verfügung steht, um einen aktu­ ellen Betriebszustand präzise zu bestimmen. Fehlauslösungen werden beispielsweise durch impulsförmige Störungen, insbe­ sondere durch einen Stoßstrom oder auch durch einen Ein­ schaltstromstoß, begünstigt.

Nachteilig ist hierbei, dass eine Fehlauslösung in aller Re­ gel zu einer Unterbrechung führt, wodurch eine stetige Ener­ gieversorgung nicht mehr gewährleistet ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schutzeinrichtung in Verbindung mit einem Halbleiterschalter anzugeben, bei der eine kontinuierliche Energieversorgung trotz eventuell auftretender Störeinflüsse gegeben ist. Wei­ terhin soll eine zugehörige Schutzanordnung und ein zugehöri­ ges Schutzverfahren angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Danach ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung für eine elektrische Leitung

• - mit einem ersten und einem zweiten Auswerteglied versehen ist,
• - wobei das erste Auswerteglied mit einem in der Leitung angeordneten Halbleiterschalter in Wirkverbindung steht, und bei Erfüllung einer ersten Auslösebedingung dem Halb­ leiterschalter ein Ausschaltsignal zuführt, wodurch ein Ausschaltvorgang im Halbleiterschalter erzeugt ist, und
• - wobei das zweite Auswerteglied bei Nichterfüllung einer zweiten Auslösebedingung den Ausschaltvorgang abbricht.

Mit dieser Schutzeinrichtung wird erreicht, dass betriebsbe­ dingte Anforderungen in Bezug auf eine zu schützende Leitung und der damit zusammenhängenden Aufrechterhaltung der Ener­ gieversorgung auf Grund ihrer Auswerte- und Auslösecharakte­ ristik erfüllt werden können. Dazu zählen ein sehr schnelles Ansprechen bei einem Kurzschluss, eine weitest gehende Ver­ meidung von Fehlauslösungen und eine sehr schnelle Verifizie­ rung einer vorliegenden Störung.

Der durch die Erfindung abgebrochene Abschaltvorgang verhin­ dert selbst unter störungsbehafteten Betriebsbedingungen eine unnötige Abschaltung einer Leitung, eines Betriebsmittels o­ der eines Anlagenteils und dient somit einer stetigen Ener­ gieversorgung. Dabei wird ein bereits eingeleiteter Abschalt­ vorgang abgebrochen und die elektrische Verbindung quasi zu­ rückgeholt. Diese Verfahrensweise wäre bei einem herkömmli­ chen mechanischen Schutzschalter nicht möglich. Erst durch die Erkenntnis der Nutzung der noch vorhandenen Teilleitfä­ higkeit des Halbleiterschalters gelang dieser erfinderische Schritt.

Bezüglich der Schutzanordnung für eine elektrische Leitung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schutzanordnung er­ findungsgemäß

• - mit einem ersten und einem zweiten Auswerteglied sowie ei­ nem Halbleiterschalter versehen ist, der in der Leitung angeordnet ist und mit dem ersten Auswerteglied in Wirk­ verbindung steht und bei Erfüllung einer ersten Auslösebe­ dingung dem Halbleiterschalter ein Ausschaltsignal zuführt, wodurch ein Ausschaltvorgang im Halbleiterschalter erzeugt ist, und
• - wobei das zweite Auswerteglied bei Nichterfüllung einer zweiten Auslösebedingung den Ausschaltvorgang abbricht.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz bei elektrischen Leitungen sowie bei einer Energieversorgung wie auch bei diesen nachgeschalteten Betriebsmitteln, Verbrau­ chern oder Anlagenteilen.

Mit Vorteil sind die beiden Auswerteglieder und der Halblei­ terschalter für einen Netzbetrieb im Nieder-, Mittel- oder Hochspannungsbereich ausgelegt. Dies ermöglicht einen Einsatz der Erfindung in vielfältigsten Anwendungsgebieten, wodurch Investitionsmittel geschont werden und zugleich die Option geschaffen wird eine standardisierbare Schutzanordnung zu verwenden.

Zweckmäßigerweise umfasst das zweite Auswerteglied jeweils ein Abtast- und Halteglied für Strom und Spannung, eine Re­ cheneinheit, eine Vergleichseinheit und eine Zeitablaufsteue­ rung. Auf diese Weise ist eine besonders zuverlässige und si­ chere Auswertung unter Verwendung von in der Praxis bereits bewährter Komponenten gegeben.

Bevorzugt weist der Halbleiterschalter einen parallel ge­ schalteten Varistor auf. Der Varistor dient hierbei vorteil­ hafterweise als Schutzeinrichtung für den Halbleiterschalter. Dies gilt insbesondere für den Fall einer auftretenden Über­ spannung.

Vorzugsweise ist das erste Auswerteglied als Überstromschutz­ organ für einen Kurzschluss und das zweite Auswerteglied als Distanzschutzorgan mit einer Messfunktion für die Netzimpe­ danz ausgelegt. Dadurch entsteht eine wirkungsvolle Schutz­ funktion mit Redundanz, was zu einer verbesserten Auswer­ tungscharakteristik und zu einer geringeren Störanfälligkeit der Energieversorgung führt.

Zweckmäßigerweise ist der Ausschaltvorgang spätestens während eines Kommutierungsvorgangs des Halbleiterschalters gegeben. Mit Vorteil wird dabei die Kommutierungszeit des Halbleiter­ schalters zur Verifizierung einer Störung genutzt, um ggf. das Ausschaltsignal abzubrechen.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Schutzverfahren für eine elektrische Leitung dadurch gelöst, dass beim Schutzverfahren erfindungsgemäß

• - ein erstes Auswerteglied auf einen in einer Leitung angeordneten Halbleiterschalter wirkt, und bei Erfüllung einer ersten Auslösebedingung dem Halbleiterschalter ein Ausschaltsignal zuführt, wodurch ein Ausschaltvorgang im Halbleiterschalter erzeugt wird, und
• - wobei ein zweites Auswerteglied bei Nichterfüllung einer zweiten Auslösebedingung den Ausschaltvorgang abbricht.

Die oben genannten Vorteile beziehen sich sinngemäß auch auf das Verfahren.

Vorzugsweise wird die zweite Auslösebedingung nach der ersten Auslösebedingung abgefragt. Die kaskadenähnliche Abfrage­ struktur kann demnach dazu beitragen ein bereits auf einer Fehlauslösung beruhendes, an den Halbleiterschalter abgesand­ tes Ausschaltsignal abbrechen, um die Aufrechterhaltung der Funktion der Leitung oder der Energieversorgung zu gewähr­ leisten.

Zweckmäßigerweise wird die zweite Auslösebedingung zumindest teilweise parallel zur ersten Auslösebedingung abgefragt. Diese Abfragestrategie trägt dazu bei, eine etwaige Störung frühzeitig zu verifizieren und unterstützt ggf. dass das Aus­ schaltsignal an den Halbleiterschalter geleitet wird. Durch diese parallele Arbeitsweise wird eine Zeitersparnis erzielt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zum Abbre­ chen des Ausschaltvorganges das Ausschaltsignal gelöscht und/oder dem Halbleiterschalter ein Einschaltsignal zuge­ führt. Vorteilhafterweise kann hierbei nicht ausschließlich das Ausschaltsignal eines Auswertegliedes gelöscht werden, sondern im Anschluss daran die Wiedereinschaltung des Halb­ leiterschalters eingeleitet werden. Dadurch ist eine Auf­ rechterhaltung einer funktionstüchtigen Leitung oder einer betriebsbereiten Energieversorgung gegeben.

Weitere Vorteile und Details der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt. Diese dienen zur Vermitt­ lung des grundlegenden erfinderischen Gedankens. Es zeigen grob schematisch:

Fig. 1 eine Schutzeinrichtung und eine Schutzanordnung als Teil eines Stromkreises,

Fig. 2 einen Halbleiterschalter mit einem Kommutie­ rungszweig,

Fig. 3 ein zweites Auswerteglied mit Funktionsbausteinen und

Fig. 4a-4e zusammengehörige Ablaufdiagramme der Wirkungsweise der Schutzeinrichtung und eines Schutzverfahrens

Im nachfolgenden Text sind gleiche Teile der Figuren mit gleichen Bezugszeichen oder sinngemäß mit ähnlichen Bezugs­ zeichen versehen.

Zunächst wird auf Gegebenheiten des Stromkreises, später auf funktionelle Details eingegangen.

Fig. 1 zeigt eine Schutzeinrichtung 1 und eine Schutzanordnung 2 als Sekundärteil eines einphasigen Stromkreises 3. Der Stromkreis 3 stellt eine Energieversorgung mit einer zugehö­ rigen Spannung U_Netz, einer Netzimpedanz Z bestehend aus einem ersten und einem zweiten Impedanzelement L_i bzw. R_i dar, de­ ren zugehörige erste und zweite Impedanzspannung U_Li bzw. U_Ri parallel dazu verlaufen. Des Weiteren umfasst der Stromkreis 3 eine angenommene Last L_LR, die sich aus einer Impedanz L und einem Widerstand R zusammensetzt. Hierzu korrespondieren die zugehörige erste und zweite Lastspannung U_L bzw. U_R.

Die Last L_LR ist über eine elektrische Leitung 5 mit einer Energiequelle, z. B. einem elektrischen Generator G eines Kraftwerks oder einem Einspeisetransformator einer Fabrik verbunden. Die Schutzeinrichtung 1 umfasst ein erstes und ein zweites Auswerteglied 4a bzw. 4b. Das erste Auswerteglied 4a steht dabei mit einem in der Leitung 5 angeordneten Halblei­ terschalter 6 in Wirkverbindung, der als Schutzschalter dient. Der Halbleiterschalter 6 weist eine zugehörige Schal­ terspannung U_S auf.

Das erste Auswerteglied 4a ist als Überstromschutzorgan I» und das zweite Auswerteglied 4b als Distanzschutzorgan Z« ausgelegt.

Bei Erfüllung einer ersten Auslösebedingung führt das erste Auswerteglied 4a dem Halbleiterschalter 6 ein Ausschaltsignal 7a zu, wodurch ein Ausschaltvorgang im Halbleiterschalter 6 erzeugt ist. Bei Nichterfüllung einer zweiten Auslösebedin­ gung bricht das zweite Auswerteglied 4b den Ausschaltvorgang ab. Die Auslösebedingungen können hierbei, insbesondere beim Distanzschutzorgan Z«, Algorithmen aus der Distanzschutztech­ nik umfassen. Sowohl die Schutzeinrichtung 1 als auch die Schutzanordnung 2 sind für einen Netzbetrieb im Nieder-, Mit­ tel- und Hochspannungsbereich ausgelegt.

Unter Auslösebedingung wird vorliegend zumindest ein auf die Leitung 5 bezogenes Kriterium verstanden, von dem die Auswer­ teglieder 4a und 4b in Abhängigkeit stehen. Bei Erfüllung o­ der auch Nichterfüllung dieser Kriterien reagieren die Aus­ werteglieder 4a und 4b ihrem Auswertecharakter enstprechend. Das zweite Auswerteglied 4b übernimmt dabei z. B. mittels Er­ kennungsschaltung die Schutzfunktion gegen einen auftretenden Überstrom, insbesondere gegen einen Kurzschlussstrom.

Das erste und das zweite Auswerteglied 4a bzw. 4b werden je­ weils von einem Sensor 22a bzw. 22b für einen Strom i bzw. eine Spannung u versorgt. Der Strom i fließt in der Leitung 5 über den Halbleiterschalter 6. Die Spannung u wird nach dem Halbleiterschalter 6 und über dem ersten und zweiten Lastele­ ment L bzw. R gemessen.

Der Halbleiterschalter 6 umfasst zumindest ein Halbleiterbau­ teil. Im allgemeinen ist dieses als Transistor, insbesondere als MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect- Transistor) oder als IGBT (Insulated-Gate-Bipolar-Transis­ tor) oder auch als SCCT (Siliciumcarbid-Cascode-Transistor) ausgeführt. Ebenfalls ist eine Ausführung als GTOT (Gate- Turn-Off-Transistor) oder auch als IGBT (Integrated-Gate- Commutated-Transistor) möglich. Die dabei angewandte Anord­ nung im Halbleiterschalter 6 kann sowohl antiparallel wie auch antiseriell erfolgen.

Fig. 2 zeigt den Halbleiterschalter 6 in einer Detaildarstel­ lung mit einem Kommutierungszweig 8, der dem Halbleiterschal­ ter 6 parallel zugeordnet ist und einen Varistor 9 umfasst. Die den Halbleiterschalter 6 bildenden Halbleiterbauteile sind hier antiseriell angeordnet. Alternativ zum Varistor 9 kann auch eine Zehnerdiode oder ein funktionell gleichwerti­ ges Bauteil zum Einsatz kommen. Möglich ist auch der Einsatz eines Snubbercircuits (Überspannungsschutzkreis) mit einem RCD-Element (Resistor-Coil-Delay-Element).

Fig. 3 zeigt das zweite Auswerteglied 4b mit darin angeordne­ ten Funktionsbausteinen. Die Funktionsbausteine sind im ein­ zelnen ein erstes Abtast- und Halteglied 10 mit einem ersten Eingang 11 für die Spannung u, ein zweites Abtast- und Halte­ glied 12 mit einem zweiten Eingang 13 für den Strom i, eine Recheneinheit 14, eine Vergleichseinheit 15 mit einem Ausgang 16 und eine Zeitablaufsteuerung 17. Die Vergleichseinheit 15 gibt am Ausgang 16 ein Steuersignal 18 aus. Hierbei ist eine digitale Signalverarbeitung gegeben, wobei Algorithmen als Programm hinterlegt sind und somit eine präzise Auslösekenn­ linie einfach realisierbar ist.

Fig. 4a bis 4e zeigen zusammengehörige Ablaufdiagramme der Wirkungsweise der Schutzeinrichtung 1 und des neuen Schutz­ verfahrens 19. In Fig. 4a ist der Strom i gemäß Fig. 1 in Ab­ hängigkeit von der Zeit t dargestellt. Der Strom i kann mit mehreren Betriebszuständen korrelieren. Im Normalbetrieb oder im Überlastbetrieb fließt dementsprechend ein Betriebs- bzw. ein Überlaststrom. Der Strom i verläuft im Normalbetrieb zwi­ schen den gezeigten Grenzen 0 und i_max. Sofern der Fall eines Stoßstromes oder eines Überlaststromes eintritt, wird die Schwelle des Maximalstromes i_max überschritten.

Wie im Diagramm gemäß Fig. 4a gezeigt ist, verläuft der Strom i als Betriebsstrom zwischen einem ersten t1 und einem zwei­ ten Zeitabschnitt t2 deutlich unterhalb der Schwelle des Ma­ ximalstromes i_max. Auf Grund einer Störung, die beispielsweise durch eine Stromspitze 20 ausgelöst wird, steigt der Strom i stetig an, wobei die Stromspitze 20 die Schwelle des Maximal­ stromes i_max überschreitet. Die Stromspitze 20 stellt dabei keinen Überlaststrom dar.

Fig. 4b zeigt das Diagramm des Überstromschutzorgans I» her­ vor, dessen Verhalten über der Zeit t abgebildet ist. Das Ü­ berstromschutzorgan I» überwacht den Stromverlauf auf Einhal­ tung der Grenzen 0 und i_max gemäß Fig. 4a, insbesondere bei ei­ nem auftretenden Kurzschlussstrom. Das Überstromschutzorgan I» weist zwei Schaltzustände, nämlich Wert 0 und Wert 1 auf. Diese Schaltzustände symbolisieren die Erfüllung der Auslöse­ bedingungen, wobei der Wert 1 für "erfüllt" und der Wert 0 für "nicht erfüllt" stehen.

Verläuft der Strom i zwischen den Grenzen 0 und i_max, verharrt der Schaltzustand auf Wert 0. Sofern der Fall des Überlast­ stromes eintritt wird die Schwelle des Maximalstromes i_max ü­ berschritten und das Überstromschutzorgan I» nimmt den Schaltzustand Wert 1 an. Der Wechsel von Schaltzustand Wert 0 auf Wert 1 wird an einem ersten Schaltwechsel 21a sichtbar. Da zu einem dritten Zeitabschnitt t₃ die Schwelle des Maxi­ malstromes i_max bereits wieder unterschritten ist, wechselt der Schaltzustand des Überstromschutzorgans I» von Wert 1 auf Wert 0, was durch den dritter Schaltwechsel 21c gemäß Fig. 4b sichtbar wird.

Fig. 4c zeigt den Verlauf der den vorhergehenden Figuren zuge­ hörigen Netzimpedanz Z in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Netzimpedanz Z steht für den vorhandenen Impedanzverlauf in der Energieversorgung. Die Netzimpedanz Z kann mit mehreren Betriebszuständen korrelieren. Während im Normalbetrieb oder im Überlastbetrieb verhält sich die Netzimpedanz Z den Rand­ bedingungen - Verlauf von Strom i und Schaltzustand des Über­ stromschutzorgans I» - entsprechend.

Die Netzimpedanz Z verläuft im Normalbetrieb oberhalb der Grenze der Minimalnetzimpedanz Z_min. Sofern der Fall des Über­ laststromes eintritt kann die Grenze zur Minimalnetzimpedanz Z_min unterschritten werden. Da es sich vorliegend um einen Stoßstrom handelt, ändert sich zwar der Verlauf der Netzimpe­ danz Z in Richtung der Grenze zur Minimalnetzimpedanz Z_min, die besagte Grenze wird jedoch nicht unterschritten.

In Fig. 4d ist das Diagramm eines Distanzschutzorgans Z« ge­ zeigt, dessen Verhalten über der Zeit t abgebildet ist. Das Distanzschutzorgan Z« überwacht die Netzimpedanz Z auf Ein­ haltung der Grenze einer Minimalnetzimpedanz Z_min gemäß Fig. 4c. Das Distanzschutzorgan Z« befindet sich in einem so ge­ nannten Bereitschaftszustand, wodurch eine permanente Über­ wachung der Netzimpedanz Z gegeben ist. Alternativ kann zum zweiten Zeitabschnitt t₂ das Distanzschutzorgan Z« auch durch den ersten Schaltwechsel 21a des Überstromschutzorgans I» angestoßen werden. Beispielhaft wird gemäß Fig. 4d eine Verifikationszeit t_Ver angezeigt, die die benötigte Zeitspan­ ne bis zur Verifizierung der Störung angibt.

Das Distanzschutzorgan Z« weist zwei Schaltzustände, nämlich Wert 0 und Wert 1 auf. Verläuft die Netzimpedanz Z oberhalb der Grenze der Minimalnetzimpedanz Z_min verharrt der Schalt­ zustand auf Wert 0. Sofern der Fall einer Unterschreitung dieser Grenze der Minimalnetzimpedanz Z_min eintritt, nimmt das Distanzschutzorgans Z« den Schaltzustand Wert 1 an.

Gemäß Fig. 4e wird das Diagramm eines Schaltsignals S. in Ab­ hängigkeit von der Zeit t gezeigt. Das Schaltsignal S wirkt direkt auf den Halbleiterschalter 6. Gesteuert werden kann das Schaltsignal S vom Überstromschutzorgan I» und/oder vom Distanzschutzorgan Z«. Das Schaltsignal 5 kann zwei Schalt­ zustände, nämlich Wert 0 und Wert 1 annehmen.

Das Distanzschutzorgan Z« besitzt eine höhere Steuerpriori­ tät als das Überstromschutzorgan I», d. h. dass ein Steuersignal des Distanzschutzorgans Z« ein Vorrecht gegenüber ei­ nem Steuersignal des Überstromschutzorgans I» aufweist. Gleichermaßen kann das Steuersignal des Distanzschutzorgans Z« den Schaltzustand des Überstromschutzorgans I» zurückset­ zen. Bedingt durch den ersten Schaltwechsel 21a zum zweiten Zeitabschnitt t₂ wird über ein Steuersignal des Überstrom­ schutzorgans I» das Schaltsignal S von Wert 0 auf Wert 1 ge­ setzt. Dies wird durch einen zweiten Schaltwechsel 21b zum zweiten Zeitabschnitt t₂, gemäß Fig. 4e angezeigt.

Die gemäß Fig. 4d angezeigte Verifikationszeit t_Ver für eine Verifizierung der Störung durch das Distanzschutzorgan Z« ergibt hierbei keine Bestätigung des Auslöseverhaltens des Überstromschutzorgans I». Vorrangig wirkt sich das Verifika­ tionsergebnis derart auf das Schaltsignal S aus, dass dieses zum vierten Zeitabschnitt t₄ von Wert 1 auf Wert 0 gesetzt wird, wodurch das Ausschaltsignal 7a abgebrochen wird. Dies wird durch einen vierten Schaltwechsel 21d angezeigt.

Die gemäß Fig. 4d angesetzte Verifikationszeit tver beginnt bei einem vorhandenen Überlaststrom spätestens zum Beginn und endet spätestens vor Beendigung des Ausschaltvorganges, insbesondere vor Beendigung einer Kommutierungszeit, des Halbleiterschalters 6. Hierdurch kann ein Abbruch des Aus­ schaltvorganges des Halbleiterschalters 6 noch rechtzeitig vor einer Unterbrechung der Energieversorgung erfolgen.

Das Zurücksetzen des Schaltsignals S bewirkt ein Auslösen des Einschaltsignals 7b für den Halbleiterschalter 6. Da keine weiteren Störungen auftreten, normalisiert sich der Strom i gemäß Fig. 4a und auch die Netzimpedanz Z stabili­ siert sich zum Zeitabschnitt t₃ gemäß Fig. 4c nach einem Ein­ schwingvorgang wieder. Alternativ ist auch eine mittelbare Ansteuerung des Halbleiterschalters 6 über das Überstrom­ schutzorgans I» möglich.

Wesentlicher Gedanke der vorliegenden Idee ist es beim Schutzverfahren 19 gemäß Fig. 4a bis 4d für eine elektrische Leitung 5, dass das erste Auswerteglied 4a auf den in der Leitung 5 angeordneten Halbleiterschalter 6 gemäß Fig. 1 wirkt. Das erste Auswerteglied 4a dient hierbei als Über­ stromschutzorgan I». Bei Erfüllung einer ersten Auslösebedin­ gung wird dem Halbleiterschalter 6 ein Schaltsignal S in Form eines Ausschaltsignal 7a zugeführt, wodurch ein Ausschalt­ vorgang im Halbleiterschalter 6 erzeugt wird. Dadurch wird eine Schutzfunktion erzeugt, die ein Äquivalent zu einem kurzschlußfesten Halbleiterschalter darstellt.

Ein zweites Auswerteglied 4b, welches hier als Distanzschutz­ organ Z« ausgeführt ist, bricht dabei bei Nichterfüllung sei­ ner Auslösebedingung den Ausschaltvorgang ab. Zum Abbrechen des Ausschaltvorganges wird das Schaltsignal S gelöscht und/oder es wird dem Halbleiterschalter 6 ein Einschaltsignal 7b zugeführt. Die zweite Auslösebedingung wird im allgemeinen nach der ersten Auslösebedingung abgefragt. Je nach Einsatz­ zweck und Schutzvorgabe wird die zweite Auslösebedingung ggf. zumindest teilweise parallel zur ersten Auslösebedingung ab­ gefragt.

Hierbei kann nicht ausschließlich das Ausschaltsignal 7a des ersten Auswertegliedes 4a gelöscht werden, sondern im An­ schluss daran die Wiedereinschaltung des Halbleiterschalters 6 eingeleitet werden. Dadurch ist eine Aufrechterhaltung ei­ ner funktionstüchtigen Leitung oder einer betriebsbereiten Energieversorgung gegeben. Dies ist z. B. durch ein erneutes Zuschalten des Halbleiterschalter 6 auch dann noch möglich, wenn die Verifikationsdauer bereits über die Dauer des Ab­ schaltvorganges hinausgegangen ist und eine Unterbrechung der Energieversorgung stattgefunden hat.

Prinzipiell ist zum Abschalten des Stromes i der Aufbau ei­ ner Gegenspannung im Halbleiterschalter 6 erforderlich, die einer treibenden Netzspannung entgegenwirkt. Insbesondere für den Fall, dass das Distanzschutzorgan Z« durch den ers­ ten Schaltwechsel 21a des Überstromschutzorgans I» angesto­ ßen wird, erfolgt eine Generierung des Schaltsignals S in Form eines Ausschaltsignals 7a. Da parallel zum Halbleiter­ schalter 6 ein Kommutierungszweig 8 mit einem darin angeord­ neten Varistor 9 vorgesehen ist oder z. B. durch so genanntes Clamping eines gleichwertigen Bauelements der Halbleiter­ schalters 6 noch teilweise leitfähig ist, wird hierdurch die Gegenspannung aufgebaut.

Nach dem Wirksamwerden der Gegenspannung nimmt der Strom i linear ab. Die Phase der Stromabnahme ist damit umso kürzer, je höher die Gegenspannung ist. Nachdem der Strom i den Wert 0 angenommen hat, folgt die Schalterspannung U_S am Halblei­ terschalter 6 der Netzspannung U_Netz. Der Strom i fließ somit noch für eine gewisse Zeit von einigen µs bis zu maximal 1 ms nach dem Ausschaltvorgang des Halbleiterschalters 6 wei­ ter. Die Anwendung der oben genannten Algorithmen in dieser Zeit ist besonders einfach.

Der Algorithmus stellt zur Lösung eine Gleichung zur Verfü­ gung, deren Ziel es ist das erste und zweite Lastelement L bzw. R einer angenommenen Last zu bestimmen. Hilfreich sind dabei genutzte Wertepaare der Prozessgrößen Spannung u und Strom i bzw. di/dt. Eine genauere Netznachbildung ergibt sich bei einer Verwendung von Netzmodellen höherer Ordnung.

Die Schutzeinrichtung 1, die Schutzanordnung 2 und das Schutzverfahren 19 können auch bei einem mehrphasigen, insbe­ sondere bei einem 3-phasigen, Netz eingesetzt werden.

Claims (12)

1. Schutzeinrichtung (1) für eine elektrische Leitung (5) mit einem ersten und einem zweiten Auswerteglied (4a, 4b),
wobei das erste Auswerteglied (4a) mit einem in der Lei­ tung (5) angeordneten Halbleiterschalter (6) in Wirkver­ bindung steht, und bei Erfüllung einer ersten Auslösebe­ dingung dem Halbleiterschalter (6) ein Ausschaltsignal (7a) zuführt, wodurch ein Ausschaltvorgang im Halbleiter­ schalter (6) erzeugt ist, und
wobei das zweite Auswerteglied (4b) bei Nichterfüllung ei­ ner zweiten Auslösebedingung den Ausschaltvorgang ab­ bricht.

2. Schutzanordnung (2) für eine elektrische Leitung (5) mit einem ersten und einem zweiten Auswerteglied (4a, 4b) sowie einem Halbleiterschalter (6), der in der Leitung (5) angeord­ net ist und mit dem ersten Auswerteglied (4a) in Wirkverbin­ dung steht und bei Erfüllung einer ersten Auslösebedingung dem Halbleiterschalter (6) ein Ausschaltsignal (7a) zuführt, wodurch ein Ausschaltvorgang im Halbleiterschalter (6) erzeugt ist, und wobei das zweite Auswerteglied (4b) bei Nichterfüllung ei­ ner zweiten Auslösebedingung den Ausschaltvorgang ab­ bricht.

3. Schutzanordnung (2) nach Anspruch 2, wobei die beiden Aus­ werteglieder (4a, 4b) und der Halbleiterschalter (6) für einen Netzbetrieb im Nieder-, Mittel- und Hochspannungsbereich aus­ gelegt sind.

4. Schutzanordnung (2) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das zweite Auswerteglied (4b) jeweils ein Abtast- und Halteglied (10, 12) für Strom (i) und Spannung (u), eine Recheneinheit (14), eine Vergleichseinheit (15) und eine Zeitablaufsteue­ rung (17) umfasst.

5. Schutzanordnung (2) nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, wobei der Halbleiterschalter (6) einen parallel geschalteten Varistor (9) aufweist.

6. Schutzanordnung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wo­ bei das erste Auswerteglied (4a) als Überstromschutzorgan (I») ausgelegt ist.

7. Schutzanordnung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wo­ bei das zweite Auswerteglied (4b) als Distanzschutzorgan (Z«) ausgelegt ist.

8. Schutzanordnung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wo­ bei der Ausschaltvorgang spätestens während eines Kommutie­ rungsvorgangs des Halbleiterschalters (6) gegeben ist.

9. Schutzverfahren (19) für eine elektrische Leitung (5)
wobei ein erstes Auswerteglied (4a) auf einen in einer Leitung (5) angeordneten Halbleiterschalter (6) wirkt, und bei Erfüllung einer ersten Auslösebedingung dem Halblei­ terschalter (6) ein Ausschaltsignal (7a) zuführt, wodurch ein usschaltvorgang im Halbleiterschalter (6) erzeugt wird, und
wobei ein zweites Auswerteglied (4b) bei Nichterfüllung einer zweiten Auslösebedingung den Ausschaltvorgang ab­ bricht.

10. Schutzverfahren (19) nach Anspruch 9, wobei die zweite Auslösebedingung nach der ersten Auslösebedingung abgefragt wird.

11. Schutzverfahren (19) nach Anspruch 9, wobei die zweite Auslösebedingung zumindest teilweise parallel zur ersten Aus­ lösebedingung abgefragt wird.

12. Schutzverfahren (19) nach Anspruch 9, wobei zum Abbrechen des Ausschaltvorganges das Ausschaltsignal (7a) gelöscht und/oder dem Halbleiterschalter (6) ein Einschaltsignal (7b) zugeführt wird.