DE1032843B - Thermischer UEberlastungsschutz fuer Kondensatoren - Google Patents

Description

Es ist bekannt, zum Schütze von Kondensatoren gegen thermische Überlastung in elektrischen Versorgungsnetzen Schaltmittel vorzusehen, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Höchstwertes der Blindbelastung den jeweiligen Kondensator vom Netz abschalten. Meist dienen hierzu thermische Auslöser, z. B. Bimetallrelais, die in den Sekundärkreis eines entweder vom Kondensatorstrom durchfiossenen Stromwandlers oder eines an der Kondensatorspannung liegenden Spannungswandlers eingeschaltet sind. Ein solches Bimetallrelais spricht aber hinsichtlich der thermischen Belastung des Kondensators nur unter der Voraussetzung richtig an, daß das mit den Kondensatoren in Verbindung stehende Versorgungsnetz keine Oberschwingung führt und sich hinsichtlich der Netzfrequenz starr verhält.

Liegt das Bimetallrelais beispielsweise im Sekundärkreis des erwähnten Stromwandlers und führt das Netz noch eine Oberschwingung, etwa die 7. Oberschwingung, so wertet das Relais den Blindleistungsanteil der Oberschwingung siebenmal so stark. Das hat zur Folge, daß die Kondensatoren beim Auftreten von Oberschwingungsströmen unerwünscht schnell, unter Umständen sogar viel zu früh, abgeschaltet werden. Liegt aber im gleichen Falle das Bimetallrelais in Reihe zu einem Wirkwiderstand im Sekundärkreis des erwähnten Spannungswandlers, so wertet es nur ein Siebentel des Blindleistungsanteils der 7. Oberschwingung. Daher wird der Kondensator in diesen Fällen erst bei einer Belastung abgeschaltet, die viel höher ist als die an sich zugelassene Höchstbelastung.

Gegenstand der Erfindung ist ein thermischer Überlastungsschutz, der zwar ebenfalls einen Thermoauslöser besitzt, der aber mit einfachen Mitteln auch den durch eine bestimmte Oberschwingung und ihre unmittelbar benachbarten Oberschwingungen erzeugten Blindleistungsanteil des Kondensators in der richtigen Größe erfaßt. Die Lösung besteht darin, daß im Stromkreis des Thermoauslösers eine frequenzabhängige einstellbare Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die die Kondensatorverlustleistung oberschwingungsgetreu nachbildet, so daß der Thermoauslöser nur bei Überschreiten des für die Kondensatoren thermisch zulässigen Wertes anspricht.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines thermischen Überlastungsschutzes mit einem spannungswandlergespeisten Thermorelais und

Fig. 2 das Schaltbild eines thermischen Überlastungsschutzes mit einem stromwandlergespeisten Thermorelais.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungen stellen zwei zueinander duale Anordnungen dar, bei denen vorausgesetzt ist, daß der Thermoauslöser praktisch induktionsfrei, etwa mit einer bifilaren Heizwicklung,

Thermischer überlastungsschutz
für Kondensatoren

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Ernst Waldmann, Öhringen,
ist als Erfinder genannt worden

ausgeführt ist. Dies ist jedoch, wie später noch näher erläutert wird, keine Einschränkung für die Brauchbarkeit der neuen Schutzeinrichtung.
Bei der Anordnung nach Fig. I₁ bei der das Bimetallrelais 1 im Sekundärkreis des an den zu schützenden Kondensator 2 parallel angeschlossenen Spannungswandlers 3 liegt, besteht die frequenzabhängige Schaltungsanordnung aus einer Ä-C-Serienkombination 4, 5. Diese ist auf eine bestimmte Oberschwingung, etwa die «-te Oberschwingung, so abgestimmt, daß das Widerstandsverhältnis RjX _c = 1/]/» ist. Dabei ist X_c auf die Grundschwingung abgestimmt, während in der Größe R der Wirkwiderstand des Thermorelais einbezogen ist. Eine zweite Bedingung für die Größe von R und X_c ergibt sich aus der für den Scheinwiderstand Z der Serienkombination bei Nennfrequenz zulässigen oder erwünschten Wandlerbelastung.

An Hand eines Zahlenbeispiels sollen die genannten Bedingungen näher erläutert werden.

Es sei angenommen, daß der kapazitive Leistungsanteil der 7. Oberschwingung erfaßt werden soll. Wählt man Z = γϊϊ*~+~χ* .— 100 Ohm, so liegt bei einer Wandlersekundärspannung von 100 V und bei 1 A Nennstrom für das Bimetallrelais die Wandlerbelastung von 100 VA durchaus im üblichen Bereich. Nach der Bedingung RjX_c = 1/y« folgt, daß RjX_c = l/y?" = 0,377 gesetzt werden muß. Beide Bedingungen ineinander eingesetzt und aufgelöst nach X_e, ergeben den Wert 93,5 Ohm; entsprechend für R = 35,25 Ohm. Die mit diesen Widerstandswerten dimensionierte Schaltung (gemäß Fig. 1) bildet dann auch den Verlustleistungsanteil der 7. Oberschwingung richtig nach, so daß das Bimetallrelais nun nicht mehr — wie bei der zu Anfang erwähnten bekannten Anordnung — nur ein Siebentel des Ober-

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schwingungsleistungsanteiles wertet, also erst bei zu großer Leistung abschaltet.

Desgleichen wertet die zu Fig. 1 duale Schaltung gemäß Fig. 2 nicht mehr das Siebenfache des Verlustleistungsanteiles der Oberschwingung, wie das ein für sich allein im Sekundärkreis eines Stromwandlers liegendes Bimetallrelais getan haben würde. Denn bei der Anordnung nach Fig. 2 ist das Bimetallrelais 1 im Sekundärkreis des Stromwandlers 6 in die JS-C-Parallelkornbination 7, 8 einbezogen, welche ebenfalls auf eine bestimmte Ober-Schwingung, etwa die «-te Oberschwingung, abgestimmt ist. Auch diese Schaltung führt dem Bimetallrelais den richtigen, die Verlustleistung der Oberschwingung nachbildenden Strom zu, wenn das Widerstandsverhältnis RjX₀ = 1/]/»" ist. Als zweite Bedingung kommt wieder, wie im Falle der Ä-C-Serienkombination, die Wandlersekundärbelastung hinzu.

Bei den beschriebenen Schaltungsanordnungen nach Fig. 1 und 2 war — wie gesagt — vorausgesetzt worden, daß der Thermoauslöser praktisch induktionsfrei sein a° sollte. Es steht jedoch nichts im Wege, auch induktionsbehaftete Relais zu benutzen, wenn man den induktiven Anteil bei der Bemessung der übrigen Glieder entsprechend berücksichtigt. Im Falle der Ä-C-Serienkombination ist dann noch eine Induktivität L in Reihe hinzuzurechnen. Als Dimensionierungsregel für den Gesamtkreis gilt dann Z_nJZ₁ = 1/]/»; wobei Z_n die Impedanz für die »-te Oberwelle und Z₁ die Impedanz für die Grundwelle ist.

Die ivN-L-C-Kombination hat gegenüber der reinen i?-C-Kombination den Nachteil, daß die der interessierenden Oberwelle benachbarten Oberwellen weniger genau erfaßt werden. Deshalb ist die Ä-C-Kombination vorzuziehen.

Bei dieser werden (ähnlich wie bei der R-L-C-Kombination) Frequenzerhöhungen etwas überbewertet, Frequenzabsenkungen unterbewertet. Die Überbewertung von Frequenzerhöhungen bringt aber insofern einen Vorteil, als Frequenzerhöhungen für Kondensatoren gefährliche Belastungen mit sich bringen. Wenn daher die Schutzeinrichtungen den zu schützenden Kondensator deswegen etwas vorzeitig abschalten, so wird dadurch die Betriebssicherheit nur noch erhöht. Bei Frequenzabsenkungen ist eine Überbelastung der Kondensatoren ohnehin nicht zu befürchten.

Der Fehler, der durch die nicht vollständige Erfassung der Oberschwingungsanteile in unmittelbarer Umgebung der interessierenden Oberschwingung hervorgerufen wird, ist praktisch ohne Bedeutung. Ist die frequenzabhängige Schaltungsanordnung beispielsweise auf die S. Oberschwingung abgestimmt, so wird die Leistung der 7. Oberschwingung zu 25 bis 30 % unterbewertet, während die der 3. Oberschwingung um 25 bis 30 % überbewertet wird. Bei Abstimmung auf die 7. Oberschwingung wird die 5. Oberschwingung um 20 bis 25% überbewertet. Einen Mittelweg würde in diesem Falle eine Abstimmung des Überlastungsschutzes auf die 6. Oberschwingung darstellen, bei der dann die Verlustleistung der 5. Oberschwingung um etwa 12 % zu stark, die der 7. Oberschwingung um ungefähr 15 °/₀ zu schwach erfaßt würde.

In der Regel Hegt der Meßfehler unter 2% der Kondensatornennleistung, so daß eine Abschaltung erst dann eintritt, wenn der Kondensator auch tatsächlich thermisch voll ausgenutzt ist. Bei der zu Anfang erwähnten bekannten Anordnung eines Bimetallrelais im sekundären Wandlerstromkreis kann dagegen bei Vorhandensein von größeren Oberschwingungsströmen die Kondensatorverlustleistung um 10 bis 15% größer vorgetäuscht werden, als sie tatsächlich ist.

Außer den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schutzanordnungen läßt sich noch eine größere Anzahl ähnlich wirkender Schaltungen angeben, z. B. eine spannungswandlergespeiste iü-C-Parallelkombination in Reihe zum Thermorelais 0 der eine stromwandlergespeiste i?-i-Parallelkombination, bei der das Relais im Zweig der Induktivität liegt. Diese Schaltungen haben jedoch gegenüber den ausführlicher beschriebenen Anordnungen den Nachteil, einen ungünstigen Frequenzgang oder einschneidendere Bedingungen für den Eigenverbrauch des Thermorelais aufzuweisen oder aufwändiger hinsichtlich der Bauelemente zu sein.

Die neue Schutzanordnung ist nicht auf ein Zusammenwirken mit einem einzelnen Kondensator beschränkt. Es kann von ihr auch zur Überwachung ganzer Kondensatorbatterien für Drehstrom Gebrauch gemacht werden. Ist die Grund- und Oberwellenbelastung einer Drehstrombatterie symmetrisch, so genügt eine lpolige Überwachung, die z. B. auf der Sekundärseite eines an der verketteten Spannung liegenden Entladewandlers angeordnet werden kann.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Thermischer Überlastungsschutz mit Thermoauslöser für Kondensatoren in Netzen, die Oberschwingungen führen, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis des Thermoauslösers eine frequenzabhängige, einstellbare Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die die Kondensatorverlustleistung oberschwingungsgetreu nachbildet, so daß der Thermoauslöser nur bei Überschreiten des für die Kondensatoren thermisch zulässigen Wertes anspricht.

2. ThermischerÜberlastungsschutznachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängige Schaltungsanordnung bei spannungsgespeistem Thermoauslöser aus einer i?-C-Serienkombination, gegebenenfalls auch aus einer i?-C-jL-Serienkombination, besteht, die auf die -«-te Oberschwingung abgestimmt ist und bei der das Widerstandsverhältnis RjX_c = 1 / ]/»" ist.

3. Thermischer Überlastungsschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängige Schaltungsanordnung bei stromgespeistem Thermoauslöser "~aus einer Ä-C-Parallelkombination, gegebenenfalls auch aus einer Ä-i-C-Parallelkombination, besteht, die auf die «-te Oberschwingung abgestimmt ist und bei der das Widerstandsverhältnis RjX_c = 1/]/*" ist.

4. Thermischer Überlastungsschutz nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Scheinwiderstandes Z bzw. des Scheinleitwertes Y der frequenzabhängigen Widerstandselemente als zweite Bemessungsgröße benutzt ist und in der Größenordnung der zulässigen Wandlerbelastung liegt.

5. Thermischer Überlastungsschutz nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoauslöser praktisch induktionsfrei ausgeführt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 846 128;
Titze: Fehler und Fehlerschutz in el. Drehstromanlagen, Wien, 1953, S. 101.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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