DE19845779A1 - Energieversorgungseinrichtung für Schutzgeräte von Schaltanlagen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung für Schutzgeräte (SG) von Schaltanlagen, insbesondere für Schaltanlagen der Mittelspannungstechnik, mit einer Schutzschalteinrichtung (SE) nachgeschalteten Brückengleichrichtereinrichtung (BG) und einer nach der Aufladung eines Ladekondensators (CL) des Schutzgerätes (SG) aktiv geschalteten, die spannungszuführenden Leitungen kurzschließenden, Regeleinrichtung. DOLLAR A Die Schutzschalteinrichtung (SE) enthält eine bidirektional steuerbare Thyristorschaltung (TR) mit einem in Reihe geschalteten Vorwiderstand (RV) und die Thyristorschaltung (TR) steht unter dem Steuereinfluß eines beim Überschreiten des Haltestroms derselben zündenden Ableiters (AL), wobei die Regeleinrichtung durch eine den Stromfluß der spannungsführenden Leitungen nach der Aufladung des Ladekondensators (CL) des Schutzgerätes (SG) unterbrechende Längsregeleinrichtung (LR) realisiert und die Brückengleichrichtereinrichtung (BG) gleichstromseitig durch einen Hochspannungskondensator (CH) überbrückt ist. DOLLAR A Derartige Energieversorgungseinrichtungen werden im Zusammenhang mit Schutzgeräten für Schaltanlagen der Energieversorgung und -verteilung eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung für Schutzgeräte von Schaltanlagen, insbesondere für Schaltanla­ gen der Mittelspannungstechnik, mit einer Schutzschaltein­ richtung nach geschalteten Brückengleichrichtereinrichtung und einer nach der Aufladung eines Ladekondensators des Schutzgerätes aktiv geschalteten, die spannungszuführenden Leitungen kurzschließenden, Regeleinrichtung.

Eine Energieversorgungseinrichtung der eingangs definierten Art ist vom prinzipiellen Aufbau weitestgehend durch die EP 0 136 254 B1 bekannt. Die Schutzgeräte sind hier durch so­ genannte Überstromauslöser repräsentiert, die einen Auslöse­ magneten und eine Auslöseschaltung mit einem Ausgang zur Ab­ gabe eines Auslösesignals enthalten. Das Auslösesignal wirkt im Falle eines Überstromes in einer der Phasenleitungen zur Last-Energieversorgung und -verteilung direkt auf eine Ab­ schaltvorrichtung ein, die zur Schadensbegrenzung die Zufüh­ rung der Energieversorgung und -verteilung unmittelbar unter­ bindet.

Die Energieversorgung der Schutzgeräte erfolgt dabei über ei­ ne Energieversorgungseinrichtung, die direkt aus dem Energie­ versorgungsnetz gespeist ist. Hierzu sind in bekannter Weise Wandlereinrichtungen eingesetzt, deren entsprechend reduzier­ te Leiterströme mittels einer Brückengleichrichtereinrichtung eine Gleichspannung erzeugen. Die Gleichspannung wird mit ei­ nen Spannungsregler auf einen Sollwert eingestellt, mit dem unmittelbar die Aufladung eines Ladekondensators im Schutzge­ rät erfolgt.

Die Stromversorgungseinrichtungen dieser Schutzgeräte erfor­ dern einerseits trotz einer verlustarmen Einspeisung eine un­ ter den verschiedensten Betriebsbedingungen sichere Aufladung des Ladekondensators und andererseits muß die volle Kapazität des Ladekondensators in kürzester Zeit sichergestellt sein, um in Störfällen, beispielsweise bei elektrischen Kürzschlüs­ sen, die Energieversorgung sehr schnell unterbrechen zu kön­ nen. Diese sich zum Teil widersprechenden Anforderungen sind bisher mit relativ aufwendigen konventionellen Wandlern und entsprechend überdimensionierten mit hoher Verlustleistung behafteten Bauelementen realisiert.

Es sind auch Energieversorgungseinrichtungen u. a. aus der WO 98/13916 bekannt, die mit Meßstrom gespeisten Stromversor­ gungsschaltungen ausgestattet sind und mit dem Sekundärstrom von elektronischen Wandlern bzw. Kleinsignal-Stromwandlerein­ richtungen den Ladekondensator von elektronischen Auslöseein­ richtungen aufladen. Den Brückengleichrichtereinrichtungen sind ebenfalls kurzschließende Regeleinrichtungen parallel geschaltet, die als sogenannter Shuntregler den jeweiligen Wandler kurzschließen, wenn der Ladekondensator auf Nennspan­ nung aufgeladen ist. Dieser Schaltvorgang bedingt durch den Kurzschluß hohe Ver­ lustleistungen für die im Kürzschlußkreis angeordneten Bau­ elemente.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die in dieser Technik geforderten Bedingungen mit weniger Aufwand an Schaltmitteln mit erheblich geringeren Verlustlei­ stungen zu erreichen und die Verfügbarkeit der vollen Kapazi­ tät des Ladekondensators jeder Zeit zu allen Betriebsbedin­ gungen der Schaltanlagen sicher zu stellen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale

• 1. 1.1 die Schutzschalteinrichtung enthält eine bidirektional steuerbare Thyristorschaltung mit einem in Reihe geschal­ teten Vorwiderstand,
• 2. 1.2 die Thyristorschaltung steht unter dem Steuereinfluß ei­ nes beim Überschreiten des Haltestroms derselben zünden­ den Ableiters,
• 3. 1.3 die Regeleinrichtung ist durch eine den Stromfluß der spannungsführenden Leitungen nach der Aufladung des Lade­ kondensators des Schutzgerätes unterbrechende Längsregel­ einrichtung realisiert,
• 4. 1.4 die Brückengleichrichtereinrichtung ist gleichstromseitig durch einen Hochspannungskondensator überbrückt, erreicht.

Mit dem Ersatz der bisher üblichen kurzschließenden Regelei­ richtung mit maximaler Strombeanspruchung der im Kurzschluß­ stromkreis angeordneten Bauelemente durch eine Regeleinrich­ tung mit der den Stromfluß nach der Aufladung des Ladekonden­ sators unterbrechenden Längsregeleinrichtung mit mittlerer Laststrombeanspruchung, die sich auch für die Wandlereinrich­ tung und die Brückengleichrichtereinrichtung ergeben, sind die Anforderungen im Hinblick auf erheblich verringerte Ver­ lustleistungen der Bauelemente weitestgehend erfüllt. Während die sekundärseitigen Wandlereinrichtungen bisher bei der Bemessung des Drahtquerschnitts für einen maximal zuläs­ sigen Dauerstrom bzw. für einen thermischen Grenzstrom ausge­ legt sind, ist der Drahtquerschnitt des sekundärseitigen Wandlereinrichtung bei der erfindungsgemäßen Energieversor­ gungseinrichtung für den mittleren Laststrom ausgelegt. Le­ diglich die Spannungsfestigkeit des Drahtes ist so zu dimen­ sionieren, daß sie über der Zündspannung des Ableiters liegt. Die bisher nach dem bekannten Niedervoltkonzept konzipierten verlustreichen Energieversorgungseinrichtungen sind also er­ setzt durch verlustarme Energieversorgungseinrichtungen nach dem bekannten Hochvoltkonzept.

Nach Erreichen der Sollspannung, bei der die Längsregelein­ richtung nach dem Aufladen des Ladekondensators den Stromfluß der spannungsführenden Leitung unterbricht, sind die sekun­ därseitige Wandlereinrichtung und die Brückengleichrich­ tereinrichtung durch den Hochspannungskondensator überbürdet, der dann Spannungswerte im Bereich mehrerer 100 Volt annehmen kann. Die Schutzschalteinrichtung parallel zur Wandlerein­ richtung und zur Brückengleichrichtereinrichtung verhindert allerdings mit der bidirektional steuerbaren Thyristorschal­ tung in Verbindung mit dem beim Überschreiten des Haltestro­ mes derselben zündenden Ableiter eine Zerstörung der Bauele­ mente, da die beim Auftreten von Überspannungen erzeugten ho­ hen Induktionsspannungen im Sekundärbereich der Wandlerein­ richtung unwirksam geschaltet sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Merkmale

• 1. 2.1 die Längsregeleinrichtung ist aus einem schnell ein­ schwingenden Analogregler und aus einem verlustleistungs­ armen Schaltstufenregler gebildet,
• 2. 2.2 der Analogregler und der Schaltstufenregler sind durch Entkopplungsdioden funktionell entkoppelt,
• 3. 3.3 die Längsregeleinrichtung ist derart steuerbar, daß in einem ersten Zeitabschnitt das Aufladen des Ladekondensa­ tors ausschließlich durch den Analogregler erfolgt und danach mit Beginn eines zweiten Zeitabschnitts gänzlich von dem Schaltstufenregler übernommen ist,

vorgesehen.

Beim Analogregler steht der Transistorschalter der Längsrege­ leinrichtung derart unter dem Steuereinfluß des im Kathoden­ zweig des Shuntreglers angeordneten Optokopplers, daß der Ausgangsstrom beim Schalten der Leistungsschalter im Kurz­ schlußfall zur sicheren Auslösung derselben führt. Mit dem Wirksamwerden der Längsregeleinrichtung übernimmt also der Analogregler sofort die Einspeisung für den Ladekondensator des Schutzgerätes. Da die erzeugte Ausgangsspannung geringfü­ gig unterhalb unter der Nennausgangsspannung liegt, kann der Schaltstufenregler praktisch lastfrei in kurzer Zeit an­ schwingen. Nach dem der Schaltstufenregler voll eingeschwun­ gen ist, wird der Analogregler dadurch außer Betrieb gesetzt, daß der Shuntregler durchsteuert und damit der Optokoppler die Gate-Source-Strecke des Transistorschalters kurzschließt. Funktionell ist der im ersten Zeitabschnitt mit höherer Ver­ lustleistungsbilanz behaftete Analogregler somit durch den im zweiten Zeitabschnitt allein wirksamen, mit wesentlich ver­ ringerter Verlustleistung behafteten, Schaltstufenregler er­ setzt.

Die Kombination eines schnell einschwingenden Analogreglers mit relativ hoher Verlustleistung mit einem zeitversetzt wirksam werdenden Schaltstufenregler mit entsprechend gerin­ gerer Verlustleistung kann auch unabhängig von der Energie­ versorgung von Schutzgeräten allgemein zur Verminderung von Verlustleistungen insgesamt eingesetzt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Merkmal

• 1. 3.1 die Längsregeleinrichtung ist mit einer Ladestrombegren­ zungsschaltung ausgestattet,

vor.

Damit sind auch Bauelemente mit entsprechend geringen Ver­ lustleistungen verwendbar.

Die Erfindung wird durch drei Figuren näher erläutert, wobei die Fig. 1 den bisher üblichen Stand der Technik im Prinzip­ schaltbild abbildet, die Fig. 2 die erfindungsgemäße Ener­ gieversorgungseinrichtung im Prinzipschalbild zeigt und die Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform der Energieversor­ gungseinrichtung gemäß Fig. 2 darstellt.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der bekannten Energieversorgungseinrichtungen, die im wesentlichen aus ei­ ner Brückengleichrichtereinrichtung BG und einer nach Ab­ schluß des Ladevorganges die Spannungsversorgungsleitungen mit dem Transistorschalter TK kurzschließenden Regeleinrich­ tung KR gebildet sind. Zwischen der Wandlereinrichtung WE und der Brückengleichrichtereinrichtung BG ist eine Schutzschalt­ einrichtung SE vorgesehen, mit der die Bauelemente vor den Auswirkungen hoher induzierter Induktionsspannungen bei Netz­ kurzschlüssen geschützt sind.

Mit der an der Regeleinrichtung KR anliegenden Ausgangsspan­ nung UA wird der Ladekondensator CL des Schutzgerätes SG der­ art aufgeladen, daß das Schutzgerät SG bei Netzkurzschlüssen mittels nicht dargestellter Schaltkontakte die Energieversor­ gung im gestörten Netzteil sofort unterbricht.

Die Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Energieversorgungsein­ richtung mit ihren wesentlichen Funktionselementen ebenfalls in vereinfachter Prinzipdarstellung. Einer der wesentlichen Unterschiede zu den bekannten Energieversorgungseinrichtungen besteht darin, daß die kurzschließende Regeleinrichtung KR (Fig. 1) ersetzt ist durch die Längsregeleinrichtung LR. Die Längsregeleinrichtung LR ist mit dem die Leitung zur Span­ nungsversorgung unterbrechenden Transistorschalter TU ausge­ stattet, der durch Einwirken des Shuntreglers SR gesteuert ist. Die Brückengleichrichtereinrichtung BG ist gleichstrom­ seitig durch den Hochspannungskondensator CH überbrückt, der im Fall des sperrenden Transitorschalters TU auf einen Span­ nungswert von mehreren 100 Volt aufgeladen ist.

Die Wandlereinrichtung WE ist also im Gegensatz zu den be­ kannten Energieversorgungseinrichtungen hier nur während des Ladevorganges gebürdet und ansonsten ungebürdet. Dementspre­ chend sind die Brückengleichrichtereinrichtung BG und der Transistorschalter TU nur durch einen mittleren Laststrom der Wandlereinrichtung belastet.

Die Schutzschalteinrichtung SE enthält hier eine bidirektio­ nal steuerbare Thyrstorschaltung TH, die zur Strombegrenzung mit einem Vorwiderstand RV in Reihe geschaltet ist. Dabei steht die Thyristorschaltung TR unter dem Streueinfluß des Ab­ leiters AL, der beim Überschreiten des Haltestroms der Thyri­ storschaltung TH zündet. Auch hier wird mit der an der Längs­ regeleinrichtung anstehenden Ausgangsspannung UA letztlich der Ladekondensator CL des Schutzgerätes SG auf den erforder­ lichen Spannungswert aufgeladen.

Die Fig. 3 läßt weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung nach Fig. 2 in einer bevorzug­ ten Ausführungsform erkennen, in der ebenfalls nur die zum Verständnis notwendigen Bauelemente dargestellt und bezeich­ net bzw. nur angedeutet sind.

Die Längsregeleinrichtung LR besteht hier im wesentlichen aus dem Analogregler AN und dem Schaltstufenregler RS. Zur Ver­ lustminimierung steht der Transistorschalter TS unter dem Steuereinfluß des Optokoplers OK, der direkt im Kathodenzweig des Shuntreglers SR angeordnet ist. Sowie die Spannung am Kondensator C auf die Nennausgangsspannung angestiegen ist, wird der Shuntregler SR niederohmig und der Optokoppler OK derart wirksam, daß sich als Ausgangsspannnung UA ein zuläs­ sig begrenzter Spannungswert einstellt.

Mit der Überspannungsschutzdiode US ist das nach geschaltete Schutzgerät SG vor auftretende Überspannungen geschützt. Wie eingangs erwähnt, enthält die Längsregeleinrichtung LR außerdem den Schaltstufenregler RS. Der Schaltstufenregler RS und der Analogregler AN sind innerhalb der Längsregeleinrich­ tung LR durch die Entkopplungsdioden ED1,2 funktionell gegen­ einander entkoppelt, so daß definierte Funktionsabläufe für die Ladevorgänge ablaufen können. Da der Beginn des Ladevor­ ganges zunächst ausschließlich durch den Analogregler AN übernommen ist, kann der Schaltstufenregler SR mit seiner Schaltstufeneinrichtung SS lastfrei anschwingen und sich in sehr kurzer Zeit im eingeschwungenen Zustand befinden. Danach wird der Shuntregler SR vom Schaltstufenregler SR durchge­ steuert und mit Hilfe des Optokopplers OK die Gate-Source- Strecke des Transistorschalters TS mit dem leitenden Transi­ stor T kurzgeschlossen.

Mit dem Transistor T und dem Widerstand R der Analogreglers AN ist der Ladestrom für den Ladekondensator CL des Schutzge­ rätes SG auf einen zulässigen Wert begrenzt.

Claims (3)

1. Energieversorgungseinrichtung für Schutzgeräte von Schalt­ anlagen, insbesondere für Schaltanlagen der Mittelspannungs­ technik, mit einer Schutzschalteinrichtung nach geschalteten Brückengleichrichtereinrichtung und einer nach der Aufladung eines Ladekondensators des Schutzgerätes aktiv geschalteten, die spannungszuführenden Leitungen kurzschließenden, Rege­ leinrichtung, gekennzeichnet durch die Merkmale

• 1. 1.1 die Schutzschalteinrichtung (SE) enthält eine bidirektio­ nal steuerbare Thyristorschaltung (TR) mit einem in Reihe geschalteten Vorwiderstand (RV),
• 2. 1.2 die Thyristorschaltung (TR) steht unter dem Steuereinfluß eines beim Überschreiten des Haltestroms derselben zün­ denden Ableiters (AL),
• 3. 1.3 die Regeleinrichtung ist durch eine den Stromfluß der spannungsführenden Leitungen nach der Aufladung des Lade­ kondensators (CL) des Schutzgerätes (SG) unterbrechende Längsregeleinrichtung (LR) realisiert,
• 4. 1.4 die Brückengleichrichtereinrichtung (BG) ist gleichstrom­ seitig durch einen Hochspannungskondensator (CH) über­ brückt.

2. Energieversorgungseinrichtung für Schutzgeräte von Schalt­ anlagen nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale

• 1. 2.1 die Längsregeleinrichtung (LR) ist aus einem schnell ein­ schwingenden Analogregler (AN) und aus einem verlustlei­ stungsarmen Schaltstufenregler (RS) gebildet,
• 2. 2.2 der Analogregler (AN) und der Schaltstufenregler (RS) sind durch Entkopplungsdioden (ED1, ED2) funktionell ent­ koppelt,
• 3. 2.3 die Längsregeleinrichtung (LR) ist derart steuerbar, daß in einem ersten Zeitabschnitt das Aufladen des Ladekon­ densators (CL) ausschließlich durch den Analogregler (AN) erfolgt und danach mit Beginn eines zweiten Zeitab­ schnitts gänzlich von dem Schaltstufenregler (RS) über­ nommen ist.

3. Energieversorgungseinrichtung für Schutzgeräte von Schalt­ anlagen nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch das Merkmal

• 1. 3.1 die Längsregeleinrichtung (LR) ist mit einer Ladestrombe­ grenzungsschaltung (LS) ausgestattet.