-
Kurzschlußschutzschaltung für lange Leitungen, insbesondere für mit
Kleinspannung gespeiste Steuerleitungen im Untertagebau Die Erfindung betrifft eine
Kurzschlußschutzschaltung für lange Leitungen, insbesondere für mit Kleinstspannung
gespeiste Steuerleitungen im Untertagebau mit einem am Anfang der Steuerleitungen
angeordneten elektromechanischen Schaltelement.
-
In Betrieben unter Tage ist als Steuerspannung Kleinspannung, also
eine Spannung von höchstens 42 Volt, vorgeschrieben. Ferner besteht die Vorschrift,
daß auch in Anlagen, die mit Kleinspannung betrieben werden, alle Kurzschlüsse innerhalb
von 0,1 Sekunde abgeschaltet werden.
-
Die niedrige Spannung hat zur Folge, daß bei längeren Leitungen die
Kurzschlußströme so klein sind, daß handelsübliche Sicherungen und magnetische Schnellauslöser
die vorgeschriebene Zeit nicht erreichen. Aus diesem Grund kann in Kleinspannungs-Grubennetzen
die durch den Kurzschluß bedingte Spannungsabsenkung zur Abschaltung des Kurzschlusses
benutzt werden. Praktisch werden die Feststellung und Abschaltung des Kurzschlusses
- auch in Kleinspannungsnetzen mit größeren Netzströmendurch Vergleich der am Ende
des Kleinspannungsnetzes herrschenden Spannung mit einer festen Bezugsspannung vorgenommen.
Allerdings muß für den Spannungsvergleich in der zu überwachenden Leitung eine zusätzliche
Hilfsader mitgeführt werden.
-
Um die Forderung nach schneller Kurzschlußabschaltung zu umgehen,
wurden zum Steuern der Schütze und anderer Schalter sogenannte eigensichere Steuereinrichtungen
entwickelt. Bei diesen Einrichtungen ist bei Leitungskurzschlüssen die an der Fehlerstelle
frei werdende Energie so gering, daß Brände nicht eingeleitet werden können. Die
eigensicheren Geräte sind jedoch aufwendig und teuer.
-
Es ist eine Kurzschlußschutzschaltung für Transistornetzgeräte bekannt,
die zur Kurzschlußstrombegrenzung einen Begrenzungstransistor enthält, in dessen
Emitterkreis ein Widerstand liegt, der das Basispotential gegenüber dem Emitterpotential
so steuert, daß bei einem Anwachsen des dem geschützten Netzgerät entnommenen Stromes
sich das Emitterpotential gegenüber dem Basispotential verringert, so daß der Transistor
sperrt. Er wirkt also wie ein gesteuerter, im Leitungszug liegender Widerstand.
Die bekannte Schaltung dient vor allem zur Verhinderung einer Überlastung des Netzgerätes.
-
Es ist ferner eine eigensichere Schutzschaltung bekannt, die einen
Widerstand enthält, der das Basispotential eines Transistors steuert. Die bekannte
Schutzschaltung wird auch zum Steuern benutzt, wobei die Steuerleitungen über eine
Diode kurzgeschlossen werden. Es ist auch bekannt, Steuerleitungen dadurch gegen
Kurzschluß zu schützen, daß ein Widerstand fest in eine Steuerleitung geschaltet
wird, der dann den Kurzschluß begrenzt. Infolge des beträchtlichen Spannungsabfalls
an diesem Widerstand bei Nennbetrieb ist diese an sich einfache Schaltung jedoch
nicht günstig.
-
Es ist schließlich noch eine Schutzschaltung mit Steuerleitungen bekanntgeworden,
die an ihrem Ende einen Widerstand enthalten. Dieser Widerstand wird bei Kurzschluß
der Steuerleitungen überbrückt, so daß sich das Potential eines Schaltelementes
ändert.
-
In Kleinspannungsanlagen, deren Netzströme im normalen Betrieb verhältnismäßig
niedrig gehalten werden können, wie z. B. in den meisten Steuerstromnetzen, an die
nur Steuerrelais angeschlossen werden, kann erfindungsgemäß eine vorteilhaftere
Kurzschlußschutzschaltung dadurch erreicht werden, daß die Steuerspannung des elektromechanischen
Schaltelementes im Kurzschlußfall infolge des durch den Kurzschlußstrom hervorgerufenen
zusätzlichen Spannungsabfalls an mindestens einem Kaltleiter mit großem positivem
Temperaturkoeffizienten unter den zum Halten des elektromechanischen Schaltelementes
erforderlichen Wert erniedrigt wird.
-
Als elektromechanisches Schaltelement kann ein Gleichstromrelais mit
geringer Schaltverzögerung vorgesehen werden, das zur Vermeidung einer unerwünschten
Entregung beim Umschalten mit einer geringen Schaltverzögerung versehen ist.
-
Eine andere Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere eine sehr
rasche Kurzschlußabschaltung gewährleistet, besteht darin, daß am Anfang der Steuerleitungen
ein elektromechanisches Schaltelement vorgesehen ist, dessen Halteeinrichtung einer
Ausschalteinrichtung
entgegenwirkt, über die mindestens ein Teil
des Kurzschlußstromes infolge des durch den Kurzschlußstrom hervorgerufenen zusätzlichen
Spannungsabfalls an mindestens einem parallel zu der Ausschaltwicklung liegenden
Kaltleiter mit großem Temperaturkoeffizienten fließt.
-
Als Schaltelement ist insbesondere ein Zweiwicklungsgleichstromrelais
vorteilhaft, das gegen Entregung bei Umschaltvorgängen durch eine geringe Schaltverzögerung
gesichert ist. Als Kaltleiter mit großem Temperaturkoeffizienten sind . insbesondere
Metallfadenlampen zweckmäßig, deren Widerstand kurze Zeit nach Auftreten des Kurzschlußstromes
auf den vollen Wert ansteigt. Dabei können die Lampen den Kurzschlußstrom zugleich
optisch anzeigen.
-
Um die Kaltleiter nach erfolgter Kurzschlußabschaltung vor Überströmen
zu schützen, kann das Schaltelement bei Entregung einen Ruhekontakt betätigen, der
einen Widerstand vor den Kaltleiter schaltet.
-
Werden die Betriebsströme für Kaltleiter zu groß, so kann man gemäß
der Erfindung eine Kurzschlußschutzschaltung vorsehen, bei der am Anfang der Steuerleitungen
ein elektromechanisches Schaltelement vorgesehen ist,: dessen Halteeinrichtung einer
Ausschalteinrichtung entgegenwirkt, die in dem Sekundärkreis eines Stromwandlers
liegt, dessen Primärseite von dem Kurzschlußstrom durchflossen wird.
-
Als ein derartiges elektromechanisches Schaltelement ist insbesondere
ein mit einer geringen Schaltverzögerung versehenes Zweiwicklungsrelais vorteilhaft,
dessen Haltewicklung einer Ausschaltwicklung entgegenwirkt. Wird das Zweiwicklungsrelais
als Halbwellengleichstromrelais ausgeführt, so kann es mit einer Kupferdämpfung
versehen sein. Um zu gewährleisten, daß der die Auschaltwicklung des Ausschaltelementes
beaufschlagende Strom nur im Kurzschlußfall fließt, kann in den Sekundärkreis des
Stromwandlers ein Schwellenwertglied geschaltet werden.
-
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Kurzschlußschutzschaltung
liegt darin, daß bei Einhaltung oder Unterschreitung der zur Kurzschlußabschaltung
vorgeschriebenen Zeit einmal aufwendige eigensichere Kreise vermieden werden können
und zum anderen keine zusätzlichen Hilfsadern in der zu überwachenden Leitung mitgeführt
zu werden brauchen. Der Bedarf an Schaltelementen ist auf ein einziges Relais reduziert.
Da nach einer Ausführung der Erfindung die ohnehin erforderlichen optischen Kurzschlußmeldeeinrichtungen
noch eine zweite Funktion in dem Überwachungssystem ausüben, wird es in den meisten
Fällen möglich, die Kurzschlußschutzeinrichtung in dem Steuergerät selbst unterzubringen.
Die Verwendung von Glühlampen als Kaltleiter hat eine, wenn auch sehr kleine Zeitverzögerung
zwischen Auftreten des Kurzschlußstromes und Erhöhung des Kältleiterwiderstandes
zur Folge, die erwünscht ist, da die Kurzschlußeinrichtung dadurch unempfindlich
gegen kurzzeitige Stromstöße wird, die z. B. beim Einschalten der am Ende der Steuerleitungen
angeordneten Steuerrelais auftreten.
-
Ferner kann die Einrichtung nach der Erfindung ohne Schwierigkeit
mit einem so hohen Sicherheitsfaktor ausgelegt werden, daß selbst dann eine einwandfreie
Kurzschlußabschaltung sichergestellt ist, wenn bestimmte, der Berechnung zugrunde
gelegte Leitungsdaten nur annähernd mit den wirklichen Werten übereinstimmen sollten.
Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
Fig. 1 zeigt die mit einem Einwicklungsrelais versehene Kurzschlußschutzschaltung;
i Fig. 2 zeigt die mit einem Zweiwicklungsrelais versehene Kurzschlußschutzschaltung.
-
In Fig. 1 gehen von der Kurzschlußüberwachungsstation A die
von dem Transformator m gespeisten Steuerleitungen Ro, To ab. Das vierpolige
Einwicklungsrelais D1 wird über den Gleichrichter h1 gespeist. Der fünfpolige Schalter
a hat drei Schaltstellungen: Ruhestellung 0, Einschaltstellung 1 und Betriebsstellung
2. Der Taster b ist der Geräteprüftaster, der über den Widerstand r, einen Kurzschluß
der Phasen Ro und To am Ende der Leitung nachzubilden gestattet. Die Widerstände
r1 und r2 sind Vorschaltwiderstände für das Relais bzw. die Kaltleiter h1 und h2.
-
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird davon ausgegangen, daß in
längeren Steuerleitungen in Betrieben unter Tage die Steuerströme kleiner als 0,6
A gehalten werden können. In einem zusätzlichen Widerstand, der im Zug der Netzleiter
liegt und beispielsweise die Größenordnung von einigen Ohm haben kann, tritt nach
dem ohmschen Gesetz ein Spannungsabfall von wenigen Volt auf, da der cos p bei reiner
Belastung durch die Erregerströme von Relais kleiner als 0,6 ist. Den kleinen Wirkspannungsabfall
kann man ohne weiteres in Kauf nehmen. Tritt in dem Kleinspannungsnetz ein Kurzschluß
auf, so ist der Kurzschlußstrom fast immer größer als 1 A. Hat der Vorschaltwiderstand
einen großen positiven Temperaturkoeffizienten, dann tritt an ihm ein Spannungsabfall
auf, der für eine Kurzschlußabschaltung mittels eines Relais ausreicht. Als spannungsabhängigen
Widerstand kann man eine gewöhnliche Glühlampe (Metallfadenlampe) passender Stärke
verwenden. Die Kurzschlußschutzschaltung arbeitet wie folgt: Das Einschalten des
Steuernetzes mit den Steuero leitern R, und To erfolgt über den fünfpoligen Handschalter
a. In der Schaltstellung 0 (Ruhestellung) sind alle Kontakte geöffnet und das Gerät
mit dem Steuernetz von dem Steuertransformator m getrennnt. In der Schaltstellung
1 (Einschaltstellung) erhält die Wick-5 lung des Ausschaltrelais D1 über den Gleichrichter
n, vom Transformator m seinen Erregerstrom, so daß es anspricht. Es schließt seine
Kontakte d1, dg und d4 und öffnet den Kontakt dz. Da der Kontakt a1 des Schalters
a noch geöffnet ist, ist das Steuernetz noch # stromlos. Das Relais D1 ist ein Gleichstromrelais
mit Kupferdämpfung. Es arbeitet also auch bei Erregung mit Halbwellengleichstrom
einwandfrei. Da es eine geringe Abzugs- und Abfallverzögerung hat, fällt es auch
nicht ab, wenn der Schalter a in Schaltstellung 2 (Betriebsstellung) weitergeschaltet
wird. In dieser Schaltstellung ist der Kontakt a2 des Schalters a geöffnet. Das
Relais D1 hält sich nun über seinen Kontakt d1. Der Widerstand r1 wird so bemessen,
daß die betriebsmäßige Erregung des Relais D1 etwa um 3011/o höher als seine Abfallerregung
ist. Hierdurch wird eine sichere Haltung des Relais bei betriebsmäßigen Spannungseinbrüchen
erreicht. Der Widerstand r, kann zwecks besserer Abgleichung als Stellwiderstand
ausgebildet sein. Durch Kontakt a3 des Schalters a wird in der Schaltstellung 2
ein Vorwiderstand r2 in den Stromkreis der als Kaltleiter wirkenden Glühlampen h1
und h2 gelegt. Durch Kontakt a4 legt der Schalter a die Netzphase R" an Spannung.
Die
Glühlampen hl und h2 sind so bemessen,. daß ihr Spannungsabfall bei ungestörtem
Netz den normalen Betrieb nicht stört, bei Auftreten eines Kurzschlusses jedoch
der Spannungsabfall so hoch ist, daß das Relais Dl sicher abfällt. Die Glühlampen
hl und h2 sollen dabei den Kurzschlußstrom so stark herabsetzen, daß zur Abschaltung
des Kurzschlusses kleine Relais mit verhältnismäßig schwachen Kontakten ausreichen.
Gleichzeitig können sie als Kurzschlußmeldelampen dienen. Als Glühlampen werden
normale Metallfadenlampen verwendet, deren Brennwiderstand etwa auf das Zwölffache
des Kaltwiderstandes ansteigt.
-
Der beabsichtigte Effekt, beim Auftreten des Kurzschlusses ein Ausschaltrelais
möglichst stark zu entregen, kann bedeutend verstärkt werden, wenn gemäß Fig. 2
ein Relais D2 vorgesehen wird, das neben der Haltewicklung I noch eine zweite Wicklung
1I hat, die durch die an den Glühlampen hl und h. anstehenden Spannungen beaufschlagt
wird. Die Wicklung II wirkt der Wicklung I entgegen. Wird diese Wicklung 1I, die
Abschaltwicklung, von Strom durchflossen, so entmagnetisiert sie das Relais D2.
Man kann die Wicklungen I und 1I so abstimmen, daß beim Auftreten eines Kurzschlusses
zwischen den Außenleitern R, und To das Relais sehr schnell restlos entmagnetisiert
oder sogar ummagnetisiert wird. Hierdurch erreicht man selbst beim Einsatz von Relais
mit Kupferdämpfung, die eine gewisse Schaltträgheit haben, daß der Kurzschluß innerhalb
der vorgeschriebenen Zeit von 0,1 Sekunde abgeschaltet wird. Gibt man dem Gleichrichter
n2 eine genügende Anzahl von Platten, dann kann man erreichen, daß bei ungestörtem
Betrieb der Spannungsabfall an den hintereinandergeschalteten Glühlampen hl und
h2 kleiner ist als die Durchgangsspannung des Gleichrichters n,. Ist das Relais
Dz abgefallen, so wird wegen des abgeschaltetenKurzschlußstromes dieWirkungderWicklung
Il aufgehoben. Nach Öffnung seines Kontaktes 1 kann sich das Relais D2 also selbst
nicht mehr einschalten. Durch Schließen des Kontaktes d. werden die Lampen hl und
h2 über den Widerstand r2 mit einem Teilstrom beaufschlagt und zeigen die erfolgte
Kurzschlußabschaltung an. Beim Abfallen schaltet das Relais D2 an seinen Kontakten
d7 und d$ die Außenleiter Ro und To ab. Wird der Schalter a auf Schaltstellung 0
zurückgestellt, so wird die Stromquelle auch nicht kurzzeitig auf die fehlerhafte
Leitung geschaltet.
-
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung können, wie eine einfache Berechnung
zeigt, bei erträglichem Leitungsquerschnitt Leitungen in einer Länge von der Größenordnung
von Kilometern sicher auf Kurzschluß überwacht werden. Wird eine Steuerphase, z.
B. die Phase To, betriebsmäßig durch Erdrückleitung ersetzt, so verdoppeln sich
die zugelassenen Leitungslängen. Durch die Vorschaltlampen hl und h2 wird am Anfang
der Leitung der Kurzschlußstrom auf einen so geringen Wert begrenzt, daß selbst
Relais mit Schwachstromkontakten den Kurzschluß abschalten können.
-
In Anlagen, deren Netzströme im normalen Betrieb verhältnismäßig hoch
sind, z. B. in Lichtnetzen, kann an Stelle der Glühlampen hl und h2 ein Stromwandler
in den Leitungszug geschaltet werden, an dessen Sekundärwicklung, eventuell über
einen einstellbaren Spannungsteiler, die Abschaltwicklung des Zweiwicklungsrelais
angeschlossen ist. Die Übersetzung dieses Stromwandlers wird, eventuell unter Verwendung
eines Schwellenwertgliedes, so gewählt, daß nur bei Auftreten eines Kurzschlusses
die Abschaltwicklung beaufschlagt wird.