DE1170518B - Schutzeinrichtung fuer elektrische Stromkreise - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H02d

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21c-68/50

G 35855 VIIIb/21 c
5. September 1962
21. Mai 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für elektrische Stromkreise, insbesondere auf eine auf Überstrom ansprechende Einrichtung, welche elektrische Speichermittel mit einem gleichstromerregten Reaktanzelement, z. B. einem Kondensator, zur Ansprechverzögerung der Einrichtung im umgekehrten Verhältnis zu dem Grad des Überstromes in dem zu schützenden Stromkreis verwendet.

Beim Schutz elektrischer Leitungen oder Stromkreise ist es üblich, Vorrichtungen oder Relais zu verwenden, die auf anomale Stromkreisbedingungen mit einer Zeitverzögerung ansprechen, die in umgekehrtem Verhältnis zu der Schwere der Störung steht. Beispielsweise ist ein Überstromschutzrelais mit einer umgekehrt proportionalen Zeit-Überstrom-Ansprech-Charakteristik bekannt. Ein derartiges Relais sieht einen bei Fehlern oder Kurzschlußbedingungen optimalen Schutz vor, wenn seine Ansprechcharakteristik sich eng an eine Kurve anschmiegt, die der Bedingung i²t = konst. genügt, d. h. wenn die Ansprechzeit (t) des Relais sich umgekehrt proportional zu dem Quadrat des Stromes (i) ändert.

Wenn auch die umgekehrt proportionalen Zeit-Überstromrelais elektromechanischer Konstruktion sich in langer Praxis bewährt haben, so haben derartige Relaiskonstruktionen doch Nachteile. Der hauptsächlichste Nachteil vielleicht ist die zum sicheren Ansprechen aufzubringende verhältnismäßig große Leistung und die Trägheit des beweglichen Ankers oder Rotors des Relais. Infolgedessen besteht die Neigung in der Relaistechnik, dasselbe Ergebnis mittels »ruhender« Stromkreis zu erreichen, d. h. geeignete Kombinationen von Halbleitern und anderen kleinen ruhenden Schaltelementen zu verwenden, die keine beweglichen Teile besitzen. Um beim Betrieb eines ruhenden Überstromrelais die erforderliche Zeitverzögerung zu erreichen, ist es üblich, einen elektrischen Energiespeicherkreis zu verwenden, der eine durch Gleichstrom erregte Reaktanz, beispielsweise einen Kondensator, enthält. Die Erregung des Energiespeicherkreises wird durch ein Gleichstromsignal bewirkt, das von dem zu schützenden Stromkreis hergeleitet wird, wobei der Kondensator dazu dient, das Ansprechen des Relais entsprechend dem Wert dieses Signals zu verzögern. Das Relais spricht nach einer Verzögerung an, die mit der Zeit übereinstimmt, in der der Kondensator auf einen vorbestimmten kritischen Spannungspegel aufgeladen wird. Wird jedoch der Energiespeicherkreis mit einer der Größe des Stromes in dem zu schützenden Stromkreis direkt proportionalen Gleichstromerregung gespeist, so erreichen die bekannten Schutzeinrichtung für elektrische Stromkreise

Anmelder:

General Electric Company, New York, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. A. Schmidt, Patentanwalt,

Berlin 19, Württembergallee 8

Als Erfinder benannt:

Clyde Gilman Dewey, Philadelphia, Pa.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 15. September 1961

(138 476)

Anordnungen die gewünschte /^-Ansprechcharakteristik nicht in ausreichendem Maße.

Die vorstehend dargelegten Mängel lassen sich nach der Erfindung bei einer Schutzeinrichtung für elektrische Stromkreise, insbesondere Überstromschutzeinrichtung, die elektrische Speichermittel mit einem gleichstromerregten Reaktanzelement, z. B. einen Kondensator, zur Ansprechverzögerung der Schutzeinrichtung im umgekehrten Verhältnis zu der Schwere eines Fehlers in dem zu schützenden Stromkreis enthält, vermeiden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein mit dem zu überwachenden Stromkreis gekuppelter Eingangskreis ein in seiner Höhe von der Größe des Stromes (oder der Spannung) im zu überwachenden Stromkreis entsprechendes Gleichstromsignal an einem Speicherkreis anlegt, der aus zwei in Reihe geschalteten, Widerstands- und Reaktanzelemente enthaltenden Abschnitten besteht, und daß von mindestens zwei Widerstandselementen des einen Abschnittes das eine mit einem nichtlinearen Impedanzglied in der Weise verbunden ist, daß ein Parameter dieses Abschnittes und damit die Zeitkonstante des Speicherkreises verändert wird, wenn die an das Impedanzglied angelegte Spannung einen vorbestimmten kritischen Wert erreicht.

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Durch die Erfindung wird somit zunächst eine verhältnismäßig einfache zeitverzögerte Schutzeinrichtung geschaffen, die verbesserte Energiespeichermittel besitzt und innerhalb praktisch brauchbarer Grenzen eine Ansprechcharakteristik erzielt, die sich umgekehrt zum Quadrat des Stromes ändert.

Ferner wird durch die Erfindung eine einfache und doch sicher wirkende Schutzeinrichtung mit einer zum Überstrom umgekehrt proportionalen Ansprechzeit geschaffen, bei der das Zeitverhalten mittels eines gleichstromerregten elektrischen Speicherkreises erzielt wird, der durch eine veränderbare Zeitkonstante, die von der Größe der Gleichstromerregung abhängt, ausgezeichnet ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit dem zu überwachenden Stromkreis ein Eingangskreis gekuppelt, durch den ein Gleichstromsignal hervorgerufen wird, welches einer charakteristischen Größe (z.B. dem Strom) des zu überwachenden Stromkreises entspricht. Dieses Eingangssignal steuert die Erregung eines elektrischen Energiespeicherkreises, der zwei miteinander in Reihe geschaltete Abschnitte umfaßt, die Widerstands, bzw. Reaktanzelemente enthalten. In Kombination mit dem Energiespeicherkreis ist ein geeigneter Pegeldetektor vorgesehen, durch den ein Ausgangssignal erzeugt wird, wenn das Reaktanzelement einen vorbestimmten Energiebetrag gespeichert hat. Der Energiespeicherkreis ist ferner mit wenigstens einem nichtlinearen Impedanzelement versehen, das mit einem Teil der vorerwähnten Abschnitte zusammengeschaltet ist, wodurch erreicht wird, daß sich ein Parameter eines der beiden Abschnitte ändert, wenn sich die Impedanz des nichtlinearen Elementes bei einer Änderung einer elektrischen Größe eines der beiden Abschnitte von einem vorbestimmten Pegel auf einen anderen ändert. Infolgedessen wird die Zeitkonstante des Energiespeicherkreises in Abhängigkeit von der Größe des Gleichstromsignals geändert, und die Ansprechcharakteristik einer diese Anordnung enthaltenden Überstromschutzeinrichtung kann stark der obenerwähnten Bedingung entsprechen, wonach die Ansprechzeit des Relais sich umgekehrt proportional zu dem Quadrat des Stromes ändert.

Die Erfindung sei nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben.

F i g. 1 stellt die Schaltungsanordnung für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar;

Fig. 2 zeigt die umgekehrt proportionale Zeit-Uberstrom-Ansprechcharakteristik, die mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 erzielbar ist;

F i g. 3, 4 und 5 zeigen Abänderungen der Anordnung nach Fig. 1.

In F i g. 1 ist mit 11 der zu überwachende Stromkreis bezeichnet, der mittels eines Schalters 12 mit einer geeigneten Stromquelle verbunden werden kann. Es ist selbstverständlich, daß die Teile 11 und 12 nur eine Phase eines dreiphasigen Stromkreises darstellen. An die Sekundärwicklung des Stromwandlers 13 ist ein zur Erzeugung eines Spannungsabfalles dienender Widerstand 14 geschaltet. Mit den Klemmen des Widerstandes 14 ist der Vollweggleichrichter 15 verbunden, dessen Ausgangs-Gleichspannung zur Steuerung der Erregung eines Zeitkreises der Schutzeinrichtung dient. Parallel zu den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 15 ist ein Glättungskondensator 16 von sehr kleiner Kapazität geschaltet, der jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Ferner liegt an den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 15 in Reihe mit einem Schalttransistor 17 ein Widerstand 18.

Die Gleichspannung, die an den Klemmen des Widerstandes 18 auftritt, wenn der Transistor 17 leitend ist, entspricht genau der Wechselspannung an dem Widerstand 14 und damit dem Wechselstrom, der in dem zu schützenden Stromkreis 11 fließt. Solange der Stromwandler 13 im linearen (nicht gesättigten) Bereich arbeitet, ist die effektive Größe des Gleichstromsignals am Widerstand 18 direkt proportional dem Betrag des in dem zu überwachenden Stromkreis fließenden Stromes.

Der vorstehend erwähnte Schalttransistor 17 ist Teil eines Torkreises 19, der der Schutzeinrichtung erst zu arbeiten erlaubt, nachdem der Strom in dem zu schützenden Stromkreis 11 einen vorbestimmten Ansprechwert erreicht hat. Der Transistor 17 ist normalerweise gesperrt, wobei sich kein genügend großer Spannungsabfall an dem Widerstand 18 ausbilden kann. Infolgedessen ist der mit diesem Widerstand verbundene Zeitkreis für gewöhnlich im Ruhezustand. Wenn jedoch einmal ein anomaler Zustand in dem zu schützenden Stromkreis auftritt, und zwar dadurch, daß der Strom über den Nennstrom bis zu einer Größe ansteigt, die einen vorbestimmten Ansprechwert überschreitet, dann spricht der Torkreis 19 durch Leitendwerden des Schalttransistors 17 schnell an. Durch die Wirkung des Torkreises können genaue und gleichbleibende Betätigungszeiten der Schutzeinrichtung erzielt werden unabhängig von dem Verhalten des Stromes im zu schützenden Stromkreis unmittelbar vor Erreichen des Ansprechwertes.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, besteht der Transistor 17 aus einem üblichen PNP-Transistor, und sein Leitendwerden wird durch den Zustand an einem Widerstand 20 gesteuert, der zwischen der Ernitter- und der Basiselektrode des Transistors angeordnet ist. Der Widerstand 20 seinerseits ist in den Emitterkreis einer halbleitenden Doppelbasisdiode 21 geschaltet. Die erste Basiselektrode des Transistors 21 (das ist die untere Basiselektrode in F i g. 1) ist mit der negativen Gleichstromklemme einer Vollweggleichrichteranordnung 22 verbunden, und die zweite Basiselektrode ist mit der positiven Gleichstromklemme der Gleichrichteranordnung 22 über einen Widerstand 23 verbunden. Die Wechselstromklemmen der Gleichrichteranordnung 22 sind über einen Sättigungs-Isoliertransformator 24 mit dem Widerstand 14 gekuppelt.

Die Gleichrichteranordnung 22 legt an den Kreis zwischen den beiden Elektroden des Transistors 21 eine Eingangsgleichspannung an, die mindestens für Stromwerte bis zu dem erwähnten Ansprechwert direkt proportional dem Wert des Stromes in dem zu überwachenden Stromkreis 11 ist. Diese Eingangsspannung wird auch an einen Widerstand 25 und eine Diode 26 gelegt, die ebenfalls an die Gleichstromklemmen des Gleichrichters geschaltet sind. Die Diode 26 ist mit der positiven Klemme der Gleichrichteranordnung verbunden und in Gegentaktschaltung hierzu angeordnet. Diese Diode, die eine Zenerdiode od. dgl. ist, hat eine scharf geknickte Durchschlagscharakteristik in Abhängigkeit der in Sperrichtung angelegten Spannung, so daß sie den Stromfluß in Sperrichtung blockieren kann, solange die anliegende in Sperrichtung gepolte Spannung kleiner ist als ein vorbestimmter kritischer Durchschlagspegel. An diesem Punkt läßt sie die Strom-

leitung in Sperrichtung ungehindert zu, während sie den Spannungsabfall über die Diode auf einen im wesentlichen konstanten Pegel, der gleich ihrer Durchschlagsspannung ist, begrenzt.

Von der positiven Klemme (der Anode) der Diode 26 besteht über einen Widerstand 20 eine Verbindung zu dem Emitter des Transistors 21, und infolgedessen ist die Emitterspannung des Transistors 21 vor dessen Leitendwerden gleich der durch den Gleichrichter 22 angelegten Eingangsspannung minus der kritischen Durchschlagsspannung der Diode 26. Solange das Potential des Emitters des Transistors 21 gegenüber der ersten Basis weniger positiv ist als ein charakteristischer Spitzenpunkt der Emitterspannung, ist der Transistor 21 gesperrt, und es fließt nur ein kleiner Leckstrom in Sperrichtung über den Widerstand 20. Solange dies der Fall ist, ist die Emitterbasisstrecke des Schalttransistors 17 in Sperrichtung vorgespannt; infolgedessen ist der Transistor gesperrt, und die Schutzeinrichtung kann nicht wirksam werden.

Die Spitzenemitterspannung eines Doppelbasistransistors hängt bekanntlich ab von ihrer Zwischenbasisspannung, die ein fester Bruchteil davon ist. Dieser Bruchteil wird das »innere Abstandsverhältnis« genannt, und um den Doppelbasistransistor 21 leitend zu machen, muß seine Emitterspannung bis zu einem Wert anwachsen, der gleich dem Produkt der Zwischenbasisspannung (das ist die durch den Gleichrichter 22 angelegte Eingangsspannung) und dem inneren Abstandsverhältnis sein. Die Emitterspannung, die normalerweise unterhalb dieses Wertes liegt, steigt an, wenn die durch den Gleichrichter 22 angelegte Eingangsspannung ansteigt. Infolge der Konstantspannungscharakteristik der Diode 26 nimmt beim Ansteigen der Eingangsspannung die Emitterspannung kontinuierlich einen immer größer werdenden prozentualen Betrag der Zwischenbasisspannung an, bis das Abstandsverhältnis erreicht ist, worauf der Doppelbasistransistor 21 leitend wird und sein Emitterstrom plötzlich in der Durchlaßrichtung ansteigt. Hierdurch wird die Emitterbasisstrecke des Schalttransistors 17 in Durchlaßrichtung vorgespannt, der Transistor leitend gemacht und dem Zeitkreis der Schutzvorrichtung erlaubt, seine Zeitfunktion zu beginnen.

In den Emitterkreis des Schalttransistors 17 ist eine Siliziumdiode 17 α geschaltet, um ein vorzeitiges Leitendwerden des Transistors 17 zu verhindern. Diese Diode ist in Übereinstimmung mit der Emitterbasisstrecke des Transistors gepolt, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, und sie stellt für einen sehr kleinen Strom in Durchlaßrichtung eine verhältnismäßig hohe Impedanz dar. Wenn die Emitterspannung des Doppelbasistransistors 21 sich stark ihrem Spitzenwert nähert, d. h. unmittelbar vor dem Leitendwerden des Transistors 21, beginnt ihr Emitterstrom auf einen kleinen Minimalwert anzusteigen, der erforderlich ist, den Doppelbasistransistor leitend zu machen. Jedoch wird durch die Diode 17 α verhindert, daß ein wesentlicher Teil dieses kleinen Strombetrages über den Nebenschlußweg zum Widerstand 20 zu der parallelliegenden Emitterbasisstrecke des Transistors 17 gelangen kann; infolgedessen erlaubt der Schalttransistor 17 tatsächlich keinen Stromfluß, bis der Doppelbasistransistor 21 tatsächlich leitend gemacht ist.

Die Parameter des Torkreises 19 sind so gewählt, daß das oben beschriebene Leitendwerden des Doppelbasistransistors 21 sofort dann erfolgt, wenn der Ansprechwert des Stromes im zu schützenden Stromkreis 11 erreicht ist. Über, den Ansprechwert hinausgehende Stromwerte werden durch die Eingangsspannung des Transistors 21 infolge der Sättigung des Isoliertransformators 24 nicht abgebildet, so daß die maximale Eingangsspannung auf einen für die sichere Betätigung des Doppelbasistransistors ausreichenden Wert begrenzt und der Transistor gegen Überspannungen gesichert ist.

Sobald der Schalttransistor 17 leitend wird, tritt ein den Strom im zu schützenden Stromkreis abbildendes Gleichstromsignal (Spannung) an dem Widerstand 18 auf. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird dieses Signal an den Zeitkreis der Schutzeinrichtung angelegt. Dieser Zeitkreis enthält zwei in Reihe geschaltete Abschnitte 27 und 28, die in Übereinstimmung mit der Größe der Spannung über den Widerstand 18 erregt werden. Der Abschnitt 27 enthält Widerstandselemente, während der Abschnitt 28 Reaktanzelemente enthält. Durch die Reaktanzelemente wird elektrische Energie gespeichert, bis ein vorbestimmter kritischer Energiepegel erreicht ist, worauf ein weiter unten beschriebener Pegeldetektor 29 anspricht und ein Ausgangssignal erzeugt, das die öffnung des Schalters 12 herbeiführt. Die für die Speicherung dieses vorbestimmten Energiebetrages in den Reaktanzelementen erforderliche Zeit ist abhängig von der Zeitkonstante des Zeitkreises und der Größe seiner Gleichstromerregung.

Die Widerstandselemente 27 bestehen aus einer Reihenschaltung von drei Widerständen 30, 31 und 32, während das Reaktanzelement 28 aus einem für gewöhnlich entladenen Kondensator 33 besteht. Wenn der Torkreis 19 betätigt wird, beginnt die Energiespeicherung durch den Kondensator 33. Wenn der Kondensator auf den vorbestimmten kritischen Spannungspegel aufgeladen worden ist, wird durch die Spannung des Kondensators 33 der Pegeldetektor 29 gekippt. Eine geeignet gepolte Diode 34 ist zwischen den Widerständen 30 und 18 angeordnet, um die Entladung des Kondensators 33 in seinen Gleichstromerregerkreis zu verhindern.

Die durch den insoweit beschriebenen Zeitkreis hervorgerufene Zeitverzögerung ändert sich im umgekehrten Verhältnis zu dem Gleichstromsignal, das seine Erregung steuert, jedoch nicht umgekehrt proportional zu der Sekundärleistung dieses Signals. Eine einen derartigen Zeitkreis verwendende Schutzvorrichtung würde über dem größten Teil ihres Arbeitsbereiches eine Ansprechcharakteristik haben, die der Bedingung it = konst. genügt. Erfindungsgemäß ist jedoch der Zeitkreis so ausgebildet, daß er eine von der Größe der Gleichstromerregung abhängige veränderliche Zeitkonstante besitzt, und auf diese Weise kann eine Ansprechcharakteristik erzielt werden, die sich eng an die z^i-Kurve anschmiegt.

Zu diesem Zweck ist zumindest mit einem Teil eines der in Reihe geschalteten Abschnitte des Zeitkreises ein nichtlineares Impedanzelement verknüpft. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 sind zwei nichtlineare Impedanzelemente 35 und 36 in Reihe mit dem Abschnitt 28 und parallel mit den Widerstandselementen 30 und 31 des Abschnittes 27 geschaltet. Die nichtlinearen Impedanzelemente 35 und 36 besitzen eine veränderbare Impedanz, und zwar hängt diese von dem Pegel einer elektrischen Größe

(ζ. B. der Spannung) des Abschnittes 27 ab, und sie wird damit von der Größe des Gleichstromerregersignals gesteuert. Die wirksame Impedanz jedes der nichtlinearen Elemente 35 und 36 ist bei verhältnismäßig kleinen an ihnen anliegenden Spannungswerten höher als bei größeren Spannungswerten. Mit dieser Anordnung wird ein Parameter des Widerstandes 27 geändert, wenn sich die Impedanz eines nichtlinearen Elementes 35 oder 36 ändert, und die Zeitkonstante des Zeitkreises wird herabgesetzt, wenn der Wert des angelegten Gleichstromsignals größer wird.

Die nichtlinearen Impedanzelemente 35 und 36 bestehen aus Dioden, deren Durchschlagscharakteristik sich in der für die Diode 26 beschriebenen Weise plötzlich ändert. Jede dieser Dioden ist entgegen der Polarität der Gleichstromerregung des Zeitkreises gepolt, und ihr für den Kondensatorladestrom leitender Zustand ist abhängig von der Größe der Spannung über dem Widerstandsabschnitt 27. Wenn nur eine verhältnismäßig kleine Spannung an dem Abschnitt 27 anliegt, ist die jeder der Elektroden 35 und 36 aufgedrückte Gegenspannung kleiner als ihre Durchschlagsspannung, und beide befinden sich dann in dem nichtleitenden, hochimpedanten Zustand. Infolgedessen muß im wesentlichen der ganze Kondensatorladestrom über alle drei in Reihe geschalteten Widerstände 30, 31 und 32 fließen, und hierbei besitzt der Zeitkreis seine maximale i?C-Zeitkonstante. Wenn jedoch eine etwas größere Spannung an dem Abschnitt 27 des Zeitkreises anliegt, wird zumindest bei einer der Dioden die vorbestimmte kritische Durchschlagsspannung erreicht, und der zugeordnete Widerstand wird durch die nun leitende, ihm parallel geschaltete Diode überbrückt. Die Impedanz der leitenden Diode nimmt mit zunehmender Spannung über dem Abschnitt 27 ab, und die Diode verhindert, daß die Spannung über dem überbrückten Widerstand über den Wert ihrer Durchschlagsspannung hinaus ansteigt. Infolgedessen wird der wirksame Widerstand des Zeitkreises herabgesetzt und die Zeitkonstante dementsprechend kurzer gemacht.

Aus den vorstehenden Erläuterungen geht hervor, daß die Zeitkonstante des Zeitkreises 27, 28 von der Größe der an den Widerstand 18 anglegten Erregerspannung abhängig ist.

Eine mit der Schutzeinrichtung in F i g. 1 tatsächlich erreichte Ansprechcharakteristik ist in Fig. 2 dargestellt, in der auf der Ordinate die Zeit und auf der Abszisse der Strom im zu schützenden Stromkreis aufgetragen ist; beide Koordinaten sind logarithmisch geteilt, und der Betrag des Stromes im zu schützenden Stromkreis ist in Mehrfachen des Ansprechstromes aufgetragen. Die Kurve 37 stellt die Ansprechcharakteristik der Vorrichtung nach Fig. 1 dar, und ihre Annäherung an eine Kurve, die ein genaues umgekehrt proportionales Verhältnis zu dem Quadrat des Stromes darstellt, geht aus dem Vergleich der Kurve 37 mit der mit Pt bezeichneten geraden Linie hervor. Durch Wahl anderer Werte für die Teile der Schutzeinrichtung kann eine noch genauere Annäherung erzielt werden.

Es sei nun das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weiter erläutert. Der Pegeldetektor 29 enthält eine Doppelbasisdiode 38, deren erste Basiselektrode über 6g die Betätigungsspule 35 eines Auslöserelais 40 mit der negativen Klemme einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die zweite Basis des Transistors 38 ist über einen Widerstand 41 mit der positiven Klemme der Speisespannungsquelle verbunden. In den Auslösekreis des Schalters 12 ist der Arbeitskontakt 42 des Auslöserelais 40 geschaltet. Der Auslösekreis enthält den Kontakt 42, eine Batterie 43, den Ruhehilfskontakt 44 des Schalters 12 und die Auslösespule 45, die bei ihrer Erregung die Auslöseklinke 46 betätigt.

Die Emitterelektrode des Transistors 38 ist unmittelbar mit der relativ positiven Klemme des Kondensators 33 verbunden, dessen negative Klemme mit der negativen Klemme der Speisespannungsquelle verbunden ist. Daher ist die Emitterspannung des Transistors 38 vor dessen Leitendwerden gleich der Spannung über dem Kondensator 33. Die Speisespannung und die Parameter des Pegeldetektors 29 sind so gewählt, daß der charakteristische Spitzenpunkt der Emitterspannung des Transistors 38 dem vorerwähnten kritischen Wert der Kondensatorspannung entspricht.

Solange die Spannung über dem Kondensator 33 kleiner ist als dieser kritische Wert, ist der Transistor 38 nichtleitend; infolgedessen ist seine Zwischenbasisimpedanz hoch, und es fließt nur ein Restruhestrom über die Betätigungsspule 39 des Auslöserelais. Wenn der Kondensator 33 dagegen eine bestimmte Energiemenge gespeichert hat, erreicht seine Spannung den kritischen Spitzenwert der Emitterspannung des Transistors 38, und dieser wird leitend, wobei sein innerer Widerstand plötzlich aus einen verhältnismäßig niedrigen Wert absinkt. Hierdurch steigt der Stromfluß über die Erregerspule 39 stark an, und das Relais 40 bringt den Schalter 12 zum Auslösen. Gleichzeitig wird der Kondensator 33 schnell über einen Weg entladen, der die dann niederimpedante Emitterbasisstrecke mit der ersten Basis des Transistors 38 enthält. Um sicherzustellen, daß sich der Kondensator 33 vollständig entlädt, ist ein beim Ansprechen der Schutzvorichtung in nicht näher dargestellter Weise betätigter Kontakt 47 vorgesehen, der den Kondensator 33 überbrückt.

Nachfolgend sei die Wirkungsweise der Schutzvorrichtung nach Fig. 1 beschrieben. Für gewöhnlich ist der Transistor 17 nichtleitend und der Kondensator 33 entladen. Wenn der Strom im Stromkreis 11 plötzlich auf einen Überstromwert ansteigt, der größer als der Ansprechwert ist, spricht der Torkreis 19 sofort an, wobei der Schalttransistor 17 leitend wird, und ein Gleichstromsignal, dessen Größe von dem Betrag des Überstromes abhängt, tritt an dem Widerstand 18 auf. Der Zeitkreis 27, 28 wird entsprechend der Größe des Gleichstromsignals erregt, und es wird eine dieser Größe entsprechende Energie gespeichert.

Da der Kondensator 33 vorher entladen worden ist, nimmt der Widerstandsabschnitt 27 des Zeitkreises zunächst die ganze Erregung auf, und infolgedessen hängt der in Reihe mit dem Kondensator 33 liegende wirksame Widerstandswert ebenfalls von dem Grad des Überstromes ab. Für weniger schwere Überstrombedingungen tragen alle drei Widerstände 30, 31 und 32 zu dem Gesamtwiderstandswert bei, und infolgedessen ist die Zeitkonstante am größten, und der Kondensator 33 wird sehr langsam aufgeladen. Für sehr schwere Überstrombedingungen ist die anfängliche Potentialdifferenz an jedem der Widerstände 30 und 31 gleich der Durchschlagsspannung der zugehörigen, im Nebenschluß liegenden Dioden 35 und 36, und der Widerstand 32 ist der einzige wirksame Widerstand in Reihe mit dem

Kondensator 33, so daß die Zeitkonstante am kleinsten ist und der Kondensator 33 sehr schnell aufgeladen wird.

Die Ladung des Kondensators 33 wird fortgesetzt, bis der vorbestimmte kritische Wert der gespeicherten Energie erreicht ist; die hierfür benötigte Zeit steht in einem umgekehrten Verhältnis zu einer Exponentialfunktion des Betrages der an den Zeitkreis angelegten Erregung. Die Emitterspannung des Transistors 38 ist nun bis auf den kritischen Spitzen- oder Zündpunkt angehoben worden, und der Pegeldetektor 29 wird gekippt und das Auslöserelais 40 erregt, welches die Öffnung des Schalters 12 herbeiführt.

Wenn eine verhältnismäßig große Toleranz der Ansprechcharakteristik der Schutzvorrichtung im Vergleich zu einem wahren Pt-Verhältnis zugelassen werden kann, braucht nur eine einzige Nebenschlußdiode verwendet zu werden. Wenn andererseits ein sehr hoher Genauigkeitsgrad der Kurvenform der Ansprechcharakteristik verlangt wird, können drei oder noch mehr Nebenschlußdioden verwendet werden.

Die letzterwähnte Möglichkeit ist in Fig. 3 dargestellt, in der nur der Zeitkreis der Schutzvorrichtung dargestellt ist. Er enthält zwei in Reihe geschaltete Abschnitte 27 α und 28, von denen der Abschnitt 27 α aus einer Reihenschaltung von sechs Elementen gleicher Art, nämlich der Widerstände 50 bis 55 besteht. Obwohl alle diese Elemente von gleieher Art (Widerstände) sind, haben sie nicht notwendigerweise dieselben Widerstandswerte. Der Abschnitt 28 enthält ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 einen Kondensator33. Fünf Dioden 55 bis 60 sind in Reihe mit dem Kondensator 33 geschaltet und jeweils in Parallelschaltung mit den Widerständen 50 bis 54 des Abschnittes 27 α angeordnet. Diese Anordnung arbeitet im wesentlichen in derselben Weise wie der Zeitkreis nach Fig. 1, und durch Wahl von geeigneten Parametern der einzelnen Teile des Widerstandsabschnittes 27 a kann eine stärkere Übereinstimmung mit der gewünschten optimalen Ansprechcharakteristik erzielt werden.

In Fig. 4 ist eine weitere Abänderung gegenüber dem Zeitkreis nach Fig. 1 dargestellt. Hierbei besteht der Widerstandsabschnitt 27 b aus einer Parallelschaltung von drei Widerständen 70, 71 und 72. Mit jedem der Widerstände 70 und 71 ist eine Diode 73 bzw. 74 in Reihe geschaltet. Die Diode 73 gestattet den Stromfluß über den Widerstand 70 nur dann, wenn die Spannung über dem Widerstand 70 und die Diode 73 größer als die vorbestimmte kritische Durchschlagsspannung dieser Diode ist. In entsprechenderweise gestattet die Diode 74 den Stromfluß über den Widerstand 71 nur, wenn die Spannung über den Widerstandsabschnitt 27 b größer ist als die vorbestimmte kritische Durchschlagsspannung der Diode 74. Wenn die im ersten Augenblick an den Zeitkreis nach F i g. 1 angelegte Eingangsspannung kleiner ist als die Durchschlagsspannung einer der Dioden 73 oder 74, dann ist nur der in Reihe mit dem Kondensator 33 liegende Widerstand 72 wirksam, und der Stromkreis besitzt seine größte Zeitkonstante. Bei hohen Werten der Eingangsspannung jedoch ist die anfänglich an den Widerstandsabschnitt 27 b angelegte Eingangsspannung größer als die Durchschlagsspannung beider Dioden, und der in Reihe mit dem Kondensator 33 liegende effektive Widerstand ist der der Parallelschaltung aller drei Widerstände 70, 71 und 72, wodurch die kleinste Zeitkonstante erreicht wird. Die Wirkungsweise des Zeitkreises in Fig. 4 ist also im wesentlichen die gleiche wie die des Zeitkreises nach Fig. 1.

In Fig. 5 ist eine weitere Abänderung des Zeitkreises nach F i g. 1 dargestellt. In diesem Fall enthält der Zeitkreis Energiespeichermittel, die aus zwei in Serie geschalteten Abschnitten 87 und 88 bestehen. Der Abschnitt 87 enthält Widerstandselemente, und zwar ein Potentiometer 83. Der Abschnitt 88 enthält Reaktanzelemente, die aus einer Parallelschaltung von drei Reaktanzelementen gleicher Art, nämlich den Induktionsspulen 90, 91 und 92 gebildet werden, die nicht notwendigerweise gleiche Werte der Induktivität zu besitzen brauchen. Die Dioden 94 und 95 sind in Reihe mit den Spulen 90 und 91 geschaltet. Diese Anordnung und ihre Wirkungsweise sind analog der nach Fig. 4.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schutzeinrichtung für elektrische Stromkreise, insbesondere Überstromschutzeinrichtung, die elektrische Speichermittel mit einem gleichstromerregten Reaktanzelement, z. B. einen Kondensator, zur Ansprechverzögerung der Schutzeinrichtung im umgekehrten Verhältnis zu der Schwere eines Fehlers in dem zu schützenden Stromkreis enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem zu überwachenden Stromkreis (Hauptleiter 11) gekuppelter Eingangskreis (15, 17, 18) ein in seiner Höhe von der Größe des Stromes (oder der Spannung) im zu überwachenden Stromkreis entsprechendes Gleichstromsignal an einen Speicherkreis anlegt, der aus zwei in Reihe geschalteten, Widerstands- und Reaktanzelemente enthaltenen Abschnitten (27, 28) besteht, und daß von mindestens zwei Widerstandselementen des einen Abschnittes (27) das eine mit einem nichtlinearen Impedanzglied in der Weise verbunden ist, daß ein Parameter dieses Abschnittes und damit die Zeitkonstante des Speicherkreises verändert wird, wenn die an das Impedanzglied angelegte Spannung einen vorbestimmten kritischen Wert erreicht.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente ohmsche Widerstände sind.

3. Schutzeinrichtung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (30, 31, 32) in Reihe geschaltet sind und jedem Widerstand außer einem (32) ein nichtlineares Impedanzglied (35, 36) parallel geschaltet ist.

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände parallel geschaltet sind und jedem Widerstand außer einem eine nichtlineare Impedanz in Reihe geschaltet ist (Fig. 4).

5. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer Parallelschaltung mehrerer Induktionsspulen ein als Spannungteiler ausgebildetes Widerstandselement in Reihe geschaltet ist und jeder Induktionsspule außer einer eine nichtlineare Impedanz in Reihe geschaltet ist (Fig. 5).

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6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlineare Impedanz Zenerdioden dienen.

7. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer mit Widerstandselementen in Reihe

oder parallel geschalteter Zenerdioden deren Durchschlagsspannung auf verschieden hohe Werte eingestellt ist, um eine stufenweise Änderung der Zeitkonstante des Zeitkreises je nach der Höhe der angelegten Erregerspannung zu erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen