DE19733268C2 - Verfahren und Einrichtung zum Detektieren von Überströmen in einer Schaltanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Überströmen in einer Schalt­ anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie eine Einrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens.

Aus der DE 44 30 382 A1 ist ein elektromechanisches Schaltgerät bekannt geworden, bei dem verschiedene Schaltstellungen und Vorgänge mit geeigneten Sensoren erfaßt werden. Das Schaltgerät besitzt dabei unter anderem einen Sensor, der bei einer Kurzschlußauslösung das Magnetfeld des im Schaltgerät fließenden Stromes mißt. Dabei ist der Sensor ein Reed-Kontakt, der neben dem elektromagnetischen Auslöser angeordnet ist und dessen Magnetfeld bei einer Kurzschlußauslösung detektiert; das Ausgangssignal des Reed-Kontaktes wird einem elektronischen Gedächtnis zugeführt, das bis zu seiner Zurücksetzung die Kurzschlußauslösung speichert.

Das elektromechanische Schaltgerät gemäß der DE 44 30 382 A1 ist soweit ersichtlich ein Niederspannungsschaltgerät, das besagten elektromagnetischen Auslöser und ei­ nen thermischen Auslöser in Form eines Thermobimetalls aufweist.

Bei Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen sind besondere Sensoren erforderlich, die einen Überstrom oder Kurzschlußstrom messen und damit eine Auslöseeinrichtung für den Leistungsschalter ansteuern.

Für derartige Zwecke kann der Gegenstand der DE 44 30 382 A1 nicht verwendet wer­ den.

Aus der US 3 789 293 A1 ist eine Überwachungseinrichtung für elektrische System­ komponenten bekannt geworden, die insbesondere Anwendung findet bei Transfor­ matoren und bei denen den einzelnen Phasen Reed-Schalter zugeordnet sind, die je nach dem Stromwert, der durch die Phasenleiter fließt, durch das magnetische Feld betätigt werden. Dabei soll lediglich eine Überwachung erfolgen, in dem durch die Im­ pulse, die die Reed-Schalter erzeugen, eine Spannung generiert wird, die bei Über­ schreiten eines bestimmten Schwellwertes erfaßt wird und einen Zählvorgang auslöst. Eine automatische Abschaltung bei einem Überstrom oder bei einem Kurzschlußstrom erfolgt nicht; Überströme und Kurzschlußströme werden dabei auch nicht unterschie­ den.

Aus der SU 8 94 587 ist eine ähnliche Anordnung bekannt geworden; hierbei wird ebenfalls nicht unterschieden zwischen einem Überstrom und einem Kurzschlußstrom und in keinem Falle erfolgt eine Abschaltung des Transformators oder eine Auslösung.

Die DE 40 00 721 A1 beschreibt eine Mittelspannungs-Schaltanlage, bei der Stö­ rungssensoren eingesetzt werden, um einen Erdungsschalter zu betätigen. Der Stö­ rungssensor kann eine Photozelle aufweisen, die einen Lichtblitz aufgrund eines Licht­ bogens detektieren kann; der Störungssensor kann einen Temperaturfühler oder einen Druckfühler umfassen, der eine überhöhte Temperatur oder einen Überdruck detektiert. In der DE 40 00 721 A1 ist auch von einem Überstromsensor die Rede; wie dieser Überstromsensor aufgebaut ist, geht aus der DE 40 00 721 nicht hervor.

Die SU 10 86 494 A beschreibt eine Schaltungsanordnung mit Reed-Schaltern, sagt aber über die weitere Auswertung deren Signale nichts aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine vereinfachte Erfassung eines Kurzschluß- oder Überstromes erreicht wird, mit der eine Auslösung eines Leistungsschalters bewirkt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auswerteeinheit die Im­ pulsform und/oder die Impulszahl der Ausgangssignale des Sensors erfaßt und bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes die Unterbrechung bewirkt.

Erfindungsgemäß bei der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens befindet sich im Bereich jedes stromdurchflossenen Phasenleiters ein Reed-Sensor oder Reed-Schalter, der so bemessen ist, daß er bei Überschreiten eines bestimmten Stromes einschaltet und bei Unterschreiten des Stromwertes wieder ausschaltet, so daß die Ausgangs­ signale Rechteckimpulse sind, deren Impulsbreite abhängig ist von der Höhe des Kurz­ schlußstromes.

Wenn beim Anstieg des Kurzschlußstromes oder des Überstromes der Reed-Kontakt schließt, ergibt dieses ein Ausgangssignal, das bei niedrigerem Fehlerstrom oder Über­ strom schmal ist. Ist der Fehlerstrom hoch, z. B. ein Kurzschlußstrom, dann kann eine Impulsunterbrechung, d. h. eine Öffnung des Reed-Kontaktes, nur noch im Bereich des Stromnulldurchganges erfolgen, so daß die Impulsbreite groß ist.

Hieraus ergibt sich, daß je kleiner der Strom ist, desto schmaler der Ausgangsimpuls des Reed-Kontaktes wird.

Wenn nun die Anzahl der Impulse und/oder die Impulsbreite ausgewertet wird, dann kann damit ein Überstrom bzw. ein Kurzschlußstrom detektiert und demgemäß ein Leistungsschalter ausgeschaltet werden. Ist die Impulsbreite schmal, dann kann eine Integration der Signale nach einer gewissen Zeit zur Auslösung führen; ist die Im­ pulsunterbrechung nur sehr kurzzeitig und die Impulsbreite sehr groß, dann wird bei entsprechender Integration die Auslösezeit verkürzt.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung sind sowohl Impulszähler als auch eine Im­ pulsbreitenerfassungsschaltung vorgesehen, wobei in der letzteren ein Schwellenwert für eine bestimmte Impulsbreite, die ein Maß für die Höhe des Über- oder Kurzschluß­ stromes ist, eingegeben ist.

Wenn bei einem Überstrom schmale Impulse von den Reed-Kontakten erzeugt werden, dann mögen diese eine Impulsbreite aufweisen, die kleiner ist als der Schwellenwert in der Impulsbreitenerfassungsschaltungsanordnung. Dann werden lediglich die Impulse gezählt, und bei Erreichen einer bestimmten Impulszahl wird der Leistungsschalter an­ gesteuert und schaltet ab.

Überschreitet die Impulsbreite den besagten Schwellenwert, dann werden zwar eben­ falls noch die Impulse gezählt; die Impulsbreitenerfassungsschaltungsanordnung je­ doch gibt ein Ausgangssignal ab, so daß der Leistungsschalter über eine Kurzzeitver­ zögerung geöffnet wird, deutlich bevor ein Ausschaltsignal erzeugt wird, das von der Anzahl der Impulse ausgelöst wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprü­ chen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung, mit der ein Lei­ stungsschalter angesteuert werden kann,

Fig. 2 zwei Oszillogramme, bei unterschiedlichen Strömen, und

Fig. 3 ein Diagramm der Auslösezeit über den Überstrom.

Unmittelbar neben jeweils einem Phasenleiter L1, L2, L3 befindet sich je ein Reed- Schalter 10, 11, 12, die parallel nebeneinander mit einer Stromversorgung "Plus-Mi­ nus" verbunden sind, in dem der Eingang 13, 14 und 15 jedes Reed-Schalters 10 bis 12 auf eine Klemme 16 geschaltet ist, die mit dem Plus-Pol verbunden ist. Die Aus­ gänge 17, 18 und 19 der Schalter sind jeweils mit einem Impulszähler 20, 21 und 22 verbunden, deren Ausgangssignale einer Auswerteschaltung 23 zugeführt sind, deren Ausgang 24 mit dem Minus-Pol verbunden ist. Zwischen den Ausgängen 17 bis 19 und jeweils den Impulszählern 20 bis 22 sind Zuführungsleitungen 25, 26 und 27 abge­ zweigt, die einer Impulsbreitenerfassungsschaltung 28 zugeführt werden, deren Aus­ gangssignale über eine Leitung 29 einem Auslösezeitrelais 30 zugeführt werden; so­ wohl die Auswerteschaltung 23 als auch das Auslösezeitrelais 30 wirkt auf jeweils ei­ nen Hilfskontakt 31 bzw. 32, die sich in einem Leitungszug 33 befinden, der einen Auslöser 34 enthält, der auf ein Schaltschloß 35 wirkt, mit dem auf ein bewegliches Kontaktstück 36 eines Leistungsschalters 37 eingewirkt werden kann.

In der Auswerteschaltung 23 wird die Anzahl der Impulse in jeder Phase unabhängig voneinander addiert und bewertet und wenn von einem Impulszähler 20, 21, 22 eine bestimmte Anzahl von Impulsen gemeldet wird, dann schließt die Auswerteeinrichtung 23 den Hilfskontakt 31, so daß der Auslöser 34 anspricht und über das Schaltschloß oder Schaltwerk 35 den Leistungsschalter 37 öffnet.

Über die Impulsbreitenauswerteschaltung 28 werden die Impulsbreite detektiert und dann, wenn ein bestimmter Schwellenwert erreicht wird, das Auslöserelais 30 betätigt, so daß der Hilfsschalter 32 schließt und auf diese Weise der Auslöser 34 anspricht und den Leistungsschalter 37 öffnet.

Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß Fig. 1 soll anhand der Fig. 2 näher erläutert werden.

Das Oszillogramm 1, bei dem ein Meßstrom I_m über der Zeit t aufgetragen ist, zeigt die Wirkungsweise bei einem kleinen Fehlerstrom; im Oszillogramm 2 ist I_m über der Zeit aufgetragen und zwar bei einem sehr hohen Fehlerstrom, d. h. einem Kurzschlußstrom.

Wenn in einem der Phasenleiter L1, L2 oder L3 ein kleiner Fehlertrom 40 auftritt, bei­ spielsweise ein Überstrom, dann wird durch diesen Überstrom bzw. durch das dadurch erzeugte elektromagnetische Feld der zugehörige Reed-Kontakt 10, 11, 12 geschlos­ sen, und zwar beginnt die Schließung bei einem Strom I_m1 zu einem Zeitpunkt t₁ und endet etwa beim gleichen Wert, der mit I_m2 bezeichnet wird, zu einem Zeitpunkt t₂. In der Zeit zwischen t₁ und t₂, wenn der Strom die Werte I_m1 bzw. I_m2 überschreitet, wer­ den der zugehörige Reed-Kontakt geschlossen; die Werte I_m1 bzw. I_m2 sind Schwellen­ werte und es ist selbstverständlich, daß die Zeitdifferenz zwischen t₂ und t₁ um so klei­ ner wird, je kleiner der Fehlerstrom ist.

Wie aus Fig. 2, aus dem Oszillogramm 1 ersichtlich ist, findet der gleiche Vorgang auch in der negativen Halbwelle statt; auch dort wird in der Zeit zwischen t₃ und t₄ der Reed-Kontakt geschlossen.

Die Impulsbreite b₁ ist abhängig von dem Stromwert; je kleiner der Strom, um so schmaler ist die Impulsbreite, und je größer der Strom, um so größer ist die Impuls­ breite.

Die Fig. 2 zeigt im Oszillogramm 2 einen Kurzschlußstrom 41, und man erkennt, daß praktisch in der gesamten Zeit, während der Strom fließt, der Reed-Kontakt geschlos­ sen bleibt, wobei zum Zeitpunkt t₅ unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang (hier in der negativen Halbwelle) der Reed-Kontakt schließt und zum Zeitpunkt t₆ wieder öffnet und lediglich in den sehr schmalen und kurzen Zeitabständen zwischen t₅ und t₇ bzw. t₈ und t₅ der Reed-Kontakt geöffnet ist. Da die Impulsbreite ein Maß für die Stromhöhe bzw. den aktuellen Stromwert ist, kann in der Schaltung 28 ein Schwellenwert vorgese­ hensein, der eine bestimmte Impulsbreite b₁ darstellt; alle Ausgangssignale der Reed- Kontakte 10 bis 12, deren Impulsbreite kleiner ist als jener Schwellenwert der Impuls­ breite b₁ werden in der Schaltung 28 nicht weiter verarbeitet und erzeugen auch kein Ausgangssignal auf der Leitung 29; die Impulse werden in den Impulszählern 20 bis 22 gezählt und bei Erreichen einer bestimmten Anzahl wird der Hilfskontakt 31 geschlos­ sen.

Wenn die Impulsbreite b₁ den betreffenden Schwellenwert überschreitet, dann gibt die Schaltung 28 ein entsprechendes Signal ab, so daß der Hilfskontakt 32 geschlossen und der Leistungsschalter 37 geöffnet wird.

Man benötigt demgemäß drei preisgünstige Reed-Kontakte sowie eine Impulsbreiten­ detektionsschaltungsanordnung und einen Impulszähler für jeden Reed-Kontakt 10 bis 12, und kann damit sowohl bei einem Überstrom als auch bei einem Kurzschlußstrom einen Leistungsschalter öffnen.

In Fig. 3 ist dies nochmals dargestellt. Dort ist die Auslösezeit über dem Stromwert dargestellt. Bei einem Überstromwert 1 bis 3 × I_nenn kann die Auslösezeit ca. 1 Sekunde betragen; wenn die Grenzimpulsbreite I_g bei etwa 3 × I_nenn überschritten ist, dann bleibt die Auslösezeit unter 100 ms; damit wird ein Kurzschlußstrom abgeschaltet.

Claims (4)

1. Verfahren zum Detektieren von Überströmen und Kurzschlußströmen in einer Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage, bei der in der Nähe eines oder nahe bei ei­ nem dem Überstrom führenden Leiter jeder Phase (L1, L2, L3) im Bereich dessen Magnetfeldes ein ein elektromagnetisches Feld detektierender, als Reed-Sensor oder Reed-Kontakt aus­ gebildeter Sensor (10, 11, 12) angeordnet ist, der beim Auftreten eines vom Über- oder Kurz­ schlußstrom herrührenden elektromagnetischen Feldes dieses detektiert und dessen Ausgangssignale einer Auswerteeinheit zugeführt werden, die diese Ausgangssignale auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit die Impulsbreite und/oder die Impulszahl der Ausgangssignale des Sensors erfaßt und bei Überschreiten je eines bestimmten Schwellenwertes eine Unterbrechung des Über- oder Kurzschlußstromes bewirkt.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem in der Nähe eines oder nahe bei einem den Überstrom führenden Leiter jeder Phase (L1, L2, L3) im Be­ reich dessen Magnetfeldes ein ein elektromagnetisches Feld detektierender, als Reed- Sensor oder Reed-Kontakt ausgebildeter Sensor (10, 11, 12) angeordnet ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Impulszähler (20, 21, 22) vorgesehen ist, dem die Ausgangs­ signale jedes Sensors zugeführt werden, und daß bei Überschreiten einer bestimmten Impulszahl eine Unterbrechung des Über- oder Kurzschlußstromes erfolgt.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Impulsbreitenerfassungs­ schaltungsanordnung (28) vorgesehen ist, in der die Impulsbreiten der von den Senso­ ren (10 bis 12) herrührenden Ausgangssignale gemessen werden und durch die bei Überschreiten einer bestimmten Grenzimpulsbreite die Unterbrechung bewirkt wird.

4. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auslöseschaltkreis mit zwei parallel angeordneten Hilfskontakten (31, 32) vor­ gesehen ist, deren einer Hilfskontakt (31) mit einer Impulszähleinrichtung (23) verbun­ den und deren anderer Hilfskontakt (32) mit einem Auslöserelais (30) verbunden ist, der mit der Impulsbreitenerfassungsschaltungsanordnung (28) verbunden ist, und daß in dem Auslösekreis ein Auslöserelais (34) vorgesehen ist, welches ggf. über ein Schaltschloß oder Schaltwerk (35) einen Leistungsschalter (37) zur Unterbrechung des Überstromes oder Kurzschlußstromes öffnet.