DE19600073A1 - Anordnung zum gesteuerten Ein- und/oder Ausschalten von induktiven und/oder kapazitiven Elementen in Wechselspannungsnetzen hoher Spannung - Google Patents
Anordnung zum gesteuerten Ein- und/oder Ausschalten von induktiven und/oder kapazitiven Elementen in Wechselspannungsnetzen hoher SpannungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum gesteuerten Ein
und/oder Ausschalten von induktiven und/oder kapazitiven Elementen in
Wechselspannungsnetzen hoher Spannung mittels eines Hochspannungs
schalters, dessen Antrieb durch einen Schaltbefehl in Verknüpfung mit
mindestens einem Signal einer Detektorschaltung gesteuert wird, der die
Hochspannung zugeführt wird und ein Auslöseorgan für die Schalterbe
tätigung bei Vorliegen eines Schaltbefehls zu einem bestimmten Schalt
zeitpunkt freigibt.
Eine Anordnung der vorstehend beschriebenen Art ist bereits bekannt
(EP 0 222 727 B1). Mit der bekannten Anordnung kann ein ein- oder
mehrphasiger Leistungsschalter zu einem Zeitpunkt geschaltet werden,
der für die Minimierung von Netzrückwirkungen der ein- bzw. ausge
schalteten Elemente wie Transformatoren oder Kondensatoren bzw. in
duktiver oder kapazitiver Lasten am günstigsten ist. Der Schaltzeitpunkt
wird mit wenigstens einer Detektorschaltung und einer dieser nachge
schalteten Zeitstufe vorgegeben, die ein verzögertes Ausgangssignal er
zeugt, dessen Zeitverzögerung einstellbar ist. Die Detektorschaltung
stellt den Spannungsnulldurchgang der Hochspannung fest. Die Zeitstufe
wird so eingestellt, daß Schaltverzögerungen des Leistungsschalters
nicht zur Verschiebung der Schalteröffnung- bzw. schließung im Span
nungsmaximum bzw. im Stromnulldurchgang führen. Bei einem mehr
phasigen Hochspannungsschalter können die einzelnen Schalterpole zu
unterschiedlichen Zeitpunkten geschaltet werden.
Bei der bekannten Anordnung ist der Einschaltspule des jeweiligen
Hochspannungsschalters eine aus einem Thyristor bestehende Torschal
tung vorgeschaltet, dem die Serienschaltung eines Kondensators und ei
nes Widerstands parallelgeschaltet ist. Der Anode des Thyristors wird
bei einem Schaltbefehl eine Spannung von 220 V zugeführt. Die Gate-
Elektrode des Thyristors ist über einen Optokoppler an die Zeitschal
tung angeschlossen.
Die Sekundärstromkreise, zu denen die Einschaltspulen und die Thyri
storen gehören, müssen bestimmten Normen genügen. In der für Hoch
spannungs-Schaltgeräte gültigen Norm IEC 694 ist festgelegt, daß die
Sekundärstromkreise einem Kurzschlußstrom von 100 A über 30 ms
standhalten müssen. Im Falle eines Kurzschlusses der Einschaltspule
oder der Zuleitungen zur Spule wird der Thyristor mit diesem hohen
Kurzschlußstrom des Sekundärkreises beansprucht. Das bedingt, daß
aufwendige Thyristoren eingesetzt werden müssen, um diese Norm zu
erfüllen. Neben einem hohen Preis haben derartige Thyristoren die wei
teren Nachteile, daß sie sehr viel Platz beanspruchen und mit Schraub
anschlüssen anstelle von Lötanschlüssen versehen sind, was zusätzliche
Kosten verursacht. Weitere gravierende Nachteile sind, daß nicht nur
der Thyristor selbst, sondern die gesamte Schaltung und damit auch die
Leiterplatten, Steckverbinder usw. für den hohen Kurzschlußstrom be
messen werden müssen. Damit wird der Rahmen üblicher kostengünstiger
elektronischer Schaltungen gesprengt.
Thyristoren sind über einen Steuerbefehl nur einschaltbar, jedoch kann
der Stromfluß nicht durch Ansteuerung wieder unterbrochen werden.
Dadurch ist es grundsätzlich nicht möglich, den Thyristor durch einen
Steuerbefehl wieder zu sperren und damit die nachgeschaltete Ein
schaltspule gegen eine unzulässig lange Stromflußdauer zu schützen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Anordnung zum ge
steuerten Ein- und/oder Ausschalten von induktiven und/oder kapazi
tiven Elementen in Hochspannungsnetzen mittels Hochspannungsschaltern
zu entwickeln, deren Einschaltspulen steuernde Bauelemente vor
unerwünscht hohen Strömen geschützt werden können.
Das Problem wird bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Reihe mit einer Spule des Aus
löseorgans ein Strommeßwiderstand und ein Transistor angeordnet sind,
der zu dem bestimmten Schaltzeitpunkt leitend gesteuert wird, und daß
der über den Transistor fließende Strom durch eine Überwachungs
schaltung erfaßt und bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts
auf einen unkritischen Wert begrenzt wird. Bei Kurzschlüssen in den
Stromwegen, die zwischen dem Transistor und dem einen Pol der Be
triebsspannung auftreten, kann höchstens der Grenzwert des Stroms
fließen, der den Transistor nicht zerstört. Bei Feststellung eines Über
stroms wird der Transistor vorzugsweise nichtleitend gesteuert, so daß
der Stromfluß bis auf vernachlässigbar kleine Restströme unterbrochen
wird.
Aufgrund der Strombegrenzung müssen die Stromwege den Transistor
nicht mehr für hohe Kurzschlußströme ausgelegt werden. Deshalb ist es
möglich, die Stromwege als Leiterbahnen auf gedrückten Schaltungs
platinen anzuordnen, auf denen auch weitere Schaltungskomponenten wie
der Transistor und der Strommeßwiderstand montiert werden können.
Vorzugsweise ist deshalb der Transistor und der Strommeßwiderstand
auf einer gedruckten Leiterplatte angeordnet. Eine solche Anordnung ist
raumsparend und wirtschaftlich herstellbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Beginn des durch die
Einschaltspule fließenden Stroms von einem Sensor erfaßt und die Dauer
des Stromflusses von der Überwachungsschaltung mit einem vorab ein
gestellten Wert für die Stromdauer verglichen, bei dessen Überschrei
tung der Transistor nichtleitend gesteuert wird. Mit dieser Anordnung
werden die Spulen des Hochspannungsschalterantriebs vor Überlastung
geschützt.
Die Überwachungsschaltung enthält zweckmäßigerweise einen Mikrorech
ner, der über ein Flipflop an einen ersten und direkt an einen zweiten
Komparator angeschlossen ist, wobei die Komparatoren je mit dem
Strommeßwiderstand verbunden sind und jeweils am Referenzeingang mit
einer auf den vorgegebenen maximalen Strom oder mit einer auf den
Stromfluß über den Transistor und die Spule abgestimmten
Referenzspannung beaufschlagt sind, und wobei der Mikrorechner mit
Ausgängen an eine Anzeigeeinrichtung und an einen Rücksetzeingang
des Flipflops sowie an eine Steuerschaltung für den Transistor
angeschlossen ist. Mit dem Mikrorechner wird die Stromflußzeit
überwacht. Falls diese den vorgegebenen Wert überschreitet, unterbricht
der Mikrorechner die Steuerspannung für den Transistor, und erzeugt
eine Meldung. Wenn durch einen Überstrom das Flipflop gesetzt ist,
kann dieses über den Mikrorechner zurückgesetzt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dar
gestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
Die Zeichnung zeigt ein Schaltbild einer Anordnung zum gesteuerten
Ein- und/oder Ausschalten von induktiven und/oder kapazitiven Ele
menten in Wechselspannungsnetzen hoher Spannung mittels eines Hoch
spannungsschalters 1, von dem in der Zeichnung die Einschaltspule 2
näher dargestellt ist. Für eine Ausschaltspule wird eine der Fig. ent
sprechende Schaltung eingesetzt. Die Ein- und Ausschaltspulen gehören
insbesondere zu einem Leistungsschalter mit Federspeicherantrieb.
Ein Schaltbefehl für den Hochspannungsschalter 1 ruft auf einer
Leitung 3 eine Spannung hervor, die der Nennspannung der Spule 2
entspricht. An die Leitung 3 ist ein Anschluß der Spule 2 gelegt. Der
andere Anschluß ist mit dem Kollektor eines Trannsistors 4 verbunden,
dessen Emitter über einen Strommeßwiderstand 5 an Masse gelegt ist.
Eine Zenerdiode 6 ist parallel zu der Reihenschaltung der Kollektor-
Emitter-Strecke des Transistors 4 und des Strommeßwiderstands 5
geschaltet.
Die Steuerelektrode des Transistors 4, z. B. eines IGBT′s, ist mit dem
Emitter eines Transistors 7 eines Optokopplers 8 verbunden. Der Transi
stor 7 ist in Reihe mit einem Widerstand 9 im Kollektorkreis und mit ei
nem Widerstand 10 im Emitterkreis an die Pole einer Betriebsspannungs
quelle angeschlossen. Die Lumineszenzdiode 11 des Optokoplers ist an
ein UND-Glied 12 angeschlossen, dessen einer Eingang von der Detektor
schaltung 13 gespeist wird. Die Detektorschaltung 13 kann den aus der
EP 0 222 727 bekannten Aufbau haben, d. h. einen Spannungsdiskrimi
nator, der über ein Eingangsfilter an einen Spannungswandler 14 einer
Phase des Hochspannungsnetzes angeschlossen ist und dem eine Zeit
stufe nach geschaltet ist, die eine einstellbare Zeitverzögerung für Ein
gangssignale aufweist.
Ein zweiter Eingang des UND-Glieds 12 ist an einen Ausgang eines Mi
krorechners 15 angeschlossen. Der Mikrorechner 15 ist mit einem Aus
gang an einen Optokoppler 16 angeschlossen, der mit dem Rücksetzein
gang eines RS-Flipflops 17 verbunden ist. Das RS-Flipflop 17 ist mit dem
Setzeingang an einen Komparator 18 angeschlossen, der mit einem Ein
gang an den Emitter des Transistors 5 gelegt ist. Der andere Eingang
des Komparators 18 steht mit einem Abgriff eines aus Widerständen 19,
20, 21 bestehenden Spannungsteilers in Verbindung. Die dem Komparator
18 vom Spannungsteiler zugeführte Referenzspannung ist auf einen Wert
eingestellt, der einem Spannungsabfall entspricht, der von einem be
stimmten, über den Widerstand 5 fließenden Strom entspricht. Dieser
Strom ist größer als der für die Betätigung des Hochspannungsschalters
1 notwendige Strom aber kleiner als der zur Zerstörung oder Schädi
gung des Transistors 4 führende Strom.
Der nichtinvertierende Ausgang des Flipflops 17 ist mit der Basis eines
Transistors 22 verbunden, dessen Kollektor-Emitter-Strecke mit der
Steuerelektrode des Transistors 4 und dem einen Anschluß des Wider
stands 5 angeordnet ist, der an Massepotential gelegt ist. Der invertie
rende Ausgang des Flipflops 17 ist mit einem Optokoppler 23 verbunden,
dessen nicht näher bezeichneter Transistor an einen Eingang des Mikro
rechners 15 angeschlossen ist.
Ein zweiter Komparator 24 ist mit einem Eingang an den Emitter des
Transistors 4 und mit dem anderen Eingang an einen weiteren Abgriff
des aus den Widerständen 19, 20, 21 bestehenden Spannungsteilers an
geschlossen. Der Komparator 24 wird vom Abgriff eine Referenzspannung
zugeführt, der ein Spannungsabfall entspricht, die der über den Transi
stor 4 fließende Strom zur Betätigung des Hochspannungsschalters am
Widerstand 5 hervor ruft. Die Referenzspannung des Komparators 24 ist
daher kleiner als die Referenzspannung des Komparators 18. Der Aus
gang des Komparators 25 ist über einen Optokoppler 25 mit einem Ein
gang des Mikrorechners 15 verbunden. Der Mikrorechner 15 besitzt
einen nicht näher dargestellten Zeitgeber (Timer), der durch das Signal
beim Ansprechen des Komparators 24 an gestoßen wird.
Wenn ein Einschaltbefehl für den Hochspannungsschalter 1 auftritt, wird
dieser Befehl von der Detektorschaltung 13 zu einer bestimmten Zeit, die
das Schalten des Hochspannungsschalters z. B. im Stromnulldurchgang
auslöst, als Signal dem UND-Glied 12 zugeführt, das bei Vorliegen eines
entsprechenden Signals aus dem Mikrorechner 15 durchlässig gesteuert
wird und die Lumineszenzdiode 11 mit einer Spannung beaufschlagt.
Hierdurch wird auch der Phototransistor 7 leitend, wodurch die Steuer
elektrode des Transistors 4 mit einem Potential beaufschlagt wird, das
den Transistor 4 leitend steuert. Der leitende Transistor 4 ermöglicht
einen Stromfluß über die Spule 2.
Falls durch eine Störung, z. B. einem Windungskurzschluß in der Spule
2, ein hoher Strom auftritt, der über dem Spulennennstrom liegt, spricht
der Komparator 18 und setzt über sein Ausgangssignal das Flipflop 17,
das den Transistor 22 leitend steuert. Hierdurch wird die Steuerelek
trode des Transistors 4 an Masse gelegt, wodurch der Transistor 4
nichtleitend wird. Der Stromfluß wird deshalb unterbrochen. Über den
Transistor 4 fließt deshalb nur ein zulässiger Strom. Es ist nicht not
wendig, den Transistor 4 für den Kurzschlußstrom nach IEC 694 auszu
legen. Der Transistor 4 kann für den sehr viel kleineren Spulennenn
strom bemessen sein. Auch die Montageelemente für den Transistor 4
sind für den zulässigen Strom bemessen. Hierdurch ergibt sich eine we
sentliche Einsparung an Material.
Wenn das Flipflop 17 anspricht, wird ein entsprechendes Signal über
den Optokoppler 23 dem Mikrorechner 15 zugeführt. Der Mikrorechner 15
verarbeitet diese Meldung und gibt z. B. eine Störungsmeldung aus.
Über den Mikrorechner 15 kann das Flipflop 17 wieder zurückgesetzt
werden. Nach Beseitigung der Störung wird z. B. über eine Eingabe an
den Mikrorechner 15 die Rücksetzung des Flipflops 17 bewirkt.
Wenn der Transistor 4 leitend gesteuert wird, löst der über den Wider
stand 5 fließende Strom das Ansprechen des Komparators 24 aus, der
eine entsprechende Meldung über den Optokoppler 25 an den Mikrorech
ner 15 ausgibt. Hierdurch wird der Zeitgeber im Mikrorechner angesto
ßen, der wieder vom Komparator 24 zurückgesetzt wird, wenn der Strom
durch die Spule 2 vom Transistor 4 abgeschaltet wird.
Die Dauer des Stromflusses, d. h. die nach dem Anstoßen des Zeitgebers
ablaufende Zeit, wird mit einer vorab im Mikrorechner 15 eingestellten
Zeit verglichen. Die vorab eingestellte Zeit ist auf die Dauer des Ein
schaltsignals abgestimmt. Überschreitet der Stromfluß über die Spule 2
die vorgegebene Dauer, steuert der Mikrorechner 15 das UND-Glied 12
undurchlässig, wodurch der Optokoppler 8 nicht mehr mit einer Steuer
spannung versorgt wird. Hierdurch wird die Steuerelektrode des Transi
stors 4 nicht mehr mit Steuerpotential beaufschlagt, wodurch der Tran
sistor 4 nichtleitend gesteuert wird. Das Überschreiten der zulässigen
Stromflußdauer kann vom Mikrorechner 15 gemeldet werden, um Bedie
nungspersonal auf eine Störung aufmerksam zu machen.
Bei der oben beschriebenen Anordnung sind die Detektorschaltung 13,
das UND-Glied 12 und der Mikrorechner 15 galvanisch von den die Be
triebsspannung für die Spule 2 führenden Leitern getrennt. Die Kompa
ratoren 18, 19 und das Flipflop 17 sind im Stromkreis mit der Betriebs
spannung für die Spule 2 angeordnet, um über den Transistor 22 eine
schnelle Abschaltung des Stroms zu bewirken.
Claims (5)
1. Anordnung zum gesteuerten Ein- und/oder Ausschalten von in
duktiven und/oder kapazitiven Elementen in Wechselspannungs
netzen hoher Spannung mittels eines Hochspannungsschalters,
dessen Antrieb durch einen Schaltbefehl in Verknüpfung mit min
destens einem Signal einer Detektorschaltung gesteuert wird, der
die Hochspannung zugeführt wird und die das Auslöseorgan für
die Schalterbetätigung bei Vorliegen eines Schaltbefehls zu einem
bestimmten Schaltzeitpunkt freigibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß in Reihe mit der Spule (2) des Auslöseorgans ein Transistor
(4) und ein Strommeßwiderstand (3) angeordnet sind, daß der
Transistor (4) zu dem bestimmten Schaltzeitpunkt leitend gesteuert
wird und daß der über den Transistor (4) fließende Strom durch
eine Überwachungsschaltung erfaßt und bei Überschreitung eines
vorgegebenen Grenzwerts auf einen unkritischen Wert begrenzt
wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Transistor (4) bei einem den Grenzwert überschreitenden
Strom nichtleitend gesteuert wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Transistor (4) auf einer gedruckten Leiterplatte angeord
net ist.
4. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Beginn des durch den Transistor (4) und die Spule (2)
fließenden Strom gemessen und die Dauer des Stromflusses mit
einem vorgegebenen Wert verglichen wird, bei dessen Überschrei
ten der Transistor (4) nichtleitend gesteuert wird.
5. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Überwachungsschaltung einen Mikrorechner (15) enthält,
der über ein Flipflop (12) an einen ersten Komparator (18) und
direkt an einen zweiten Komparator (24) angeschlossen ist, und
daß die Komparatoren je mit dem Strommeßwiderstand (5) und je
weils an einem Referenzeingang mit einer auf den vorgegebenen
maximalen Strom oder mit einer auf den Stromfluß über den Tran
sistor (4) und die Spule (2) abgestimmten Referenzspannung be
aufschlagt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996100073 DE19600073C2 (de) | 1996-01-03 | 1996-01-03 | Anordnung zum gesteuerten Ein- und/oder Ausschalten von induktiven und/oder kapazitiven Elementen in Wechselspannungsnetzen hoher Spannung |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE19600073A1 true DE19600073A1 (de) | 1997-08-07 |
DE19600073C2 DE19600073C2 (de) | 2000-04-13 |
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ID=7782093
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE19600073C2 (de) |
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1996
- 1996-01-03 DE DE1996100073 patent/DE19600073C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE19600073C2 (de) | 2000-04-13 |
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