DE19954038A1

DE19954038A1 - Low-voltage (LV) circuit-breaker release

Info

Publication number: DE19954038A1
Application number: DE1999154038
Authority: DE
Inventors: Holger Hochgraef; Ulrich Baumgaertl; Wolfgang Roehl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-05-03

Abstract

A circuit arrangement for actuating the release or trip magnet of a low-voltage circuit-breaker has a rectifier circuit with mains transformer feed, a capacitance in the form of an electrolytic capacitor charged via the rectifier circuit for tripping the release magnet, and a controlled electronic switch connected in series with a winding of the release magnet and for discharging the capacitance via the release magnet winding. A charge resistance is connected in series with the capacitance, and a diode - in parallel with the charge resistance, with the forward direction of the diode concurring with the direction of the discharge current of the capacitance. A second electronic switch (6), for controlling the charging process of the capacitance, is connected between the rectifier circuit (5) and the charging resistance (15) and can be controlled in relation to the amplitude and the time characteristic of the capacitance's (14) charge voltage, via a microprocessor 18).

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Schutzschaltungsanord nungen für Niederspannungsnetze zum selbsttätigen Abschalten von Leistungsschaltern bei Überstrom und ist bei einer Schal tungsanordnung anzuwenden, bei der zur Betätigung eines Aus lösemagneten zusätzlich zu einer durch einen Stromwandler ge speisten Gleichrichterschaltung eine Kapazität in Form eines Elektrolyt-Kondensators zur Speicherung der für eine Auslö sung des Auslösemagneten erforderlichen Energievorgesehen ist und über diese Kapazität in gewissen Intervallen ein La destrom fließt.The invention is in the field of protection circuitry for low-voltage networks for automatic shutdown of circuit breakers with overcurrent and is with a scarf to apply the arrangement when actuating an off Release magnets in addition to ge by a current transformer fed rectifier circuit a capacity in the form of a Electrolytic capacitor for storing the tripping solution required for the release magnet is and a La over this capacity at certain intervals destructive flows.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art wird die Gleichrichterschaltung von einem Stromwandler gespeist. Die ser ist üblicherweise so dimensioniert, daß die Gleich richterschaltung bei etwa 20% des im überwachten Netz zuläs sigen Nennstromes eine Gleichspannung liefert, die eine Akti vierung der zugeordneten Überwachungselektronik zur Folge hat. Zu dieser Überwachungselektronik gehört eine Auslöse schaltung für einen ersten elektronischen Schalter, der im Stromkreis eines Auslösemagneten liegt, sowie eine Regel schaltung für einen zweiten elektronischen Schalter, der pa rallel zu einem Ladestromkreis für eine Kapazität angeordnet ist. Diese Kapazität kann die zur Auslösung des Auslösemagne ten erforderliche Energie speichern. In Reihe mit der Kapazi tät, bei der es sich in der Regel um einen Elektrolyt-Konden sator handelt, liegt ein hochohmiger Ladewiderstand, der mit tels einer parallel angeordneten Diode kurzschließbar ist. - Die für den zweiten elektronischen Schalter vorgesehene Re gelschaltung dient der Regelung der Ladespannung der Kapazi tät, vorzugsweise durch getaktetes Öffnen und Schließen des zweiten elektronischen Schalters. Die für den Auslösevorgang erforderliche Ladespannung wird dabei schon dann erreicht, wenn im primären Stromkreis des Stromwandlers ein Strom fließt, der etwa 50-90% des Nennstromes beträgt.In a known circuit arrangement of this type Rectifier circuit powered by a current transformer. The ser is usually dimensioned so that the same judge switching at about 20% of the permitted in the monitored network sigen nominal current provides a DC voltage that an Akti the associated monitoring electronics result Has. A trigger belongs to this monitoring electronics circuit for a first electronic switch, which in the Circuit of a tripping magnet lies, as well as a rule circuit for a second electronic switch, the pa arranged parallel to a charging circuit for a capacity is. This capacity can be used to trigger the triggering campaign Store the required energy. In line with the capaci activity, which is usually an electrolyte condenser sator, there is a high-impedance charging resistor that matches means of a diode arranged in parallel can be short-circuited. - The Re intended for the second electronic switch Gel circuit is used to regulate the charging voltage of the capaci act, preferably by clocked opening and closing of the second electronic switch. The one for the triggering process required charging voltage is already reached if there is a current in the primary circuit of the current transformer flows, which is about 50-90% of the nominal current.

Elektrolyt-Kondensatoren, wie sie bei der bekannten Schal tungsanordnung üblicherweise verwendet werden, müssen bei erstmaliger Ladung zur Bildung der Kapazitätsbeläge einen Formierprozeß durchlaufen. Der hierzu aufzuwendende Strom stellt eine verlorene Energiemenge dar. Weiterhin unterliegt der aufgeladene oder auch entladene Kondensator einem Alte rungsprozeß in Abhängigkeit von Ladespannung, Temperatur und Zeit. Wird zum Beispiel der Kondersator unter Spannungut über längere Zeit hoher Temperatur ausgesetzt, so verringert sich in Folge einer Veränderung der das Dielektrikum bildenden Oxydschichten die Kapazität. Wird der Kondensator jedoch ohne Spannung über längere Zeit hoher Temperatur ausgesetzt, so bleibt zwar die Kapazität im wesentlichen erhalten, der Kon densator verliert aber seine Formierung, so daß zu einer er neuten Ladung eine entsprechende Zeit und ein hoher Formier strom benötigt werden, wobei der Formierstrom ein Vielfaches des Ladestromes beträgt. Man ist daher bemüht, den Kondensa tor so zu behandeln, daß die Formierung weitestgehend erhal ten bleibt und die Kapazitätsabnahme durch den Einfluß der Ladespannung möglichst gering ausfällt. Eine gebräuchliche Lösung hierfür sieht vor, einen Kondensator mit einer Kapazi tät zu verwenden, die etwa dem Vierfachen der eigentlich not wendigen Kapazität beträgt, und den Kondensator bei nur etwa 60% der erforderlichen Auslösespannung in Bereitschaft zu halten. Erst im Zeitpunkt der Auslösung des zugeordneten Schalters erfolgt eine Aufladung auf die notwendige Auslöse spannung. Dies kann mit einem erheblichen Formierstrom ver bunden sein, wodurch die Auslösung des Schalters verzögert wird (DE 197 38 699 A1).Electrolytic capacitors, as in the known scarf arrangement usually used, must first loading to form the capacity coverings Go through forming process. The current to be used for this represents a lost amount of energy the charged or discharged capacitor to an old man process depending on the charging voltage, temperature and Time. For example, the condenser is under voltage Exposed to high temperature for a long time, this reduces as a result of a change in the dielectric Oxide layers the capacity. However, if the capacitor is without Exposed to high temperature for a long time, see above the capacity remains essentially unchanged, the con but the capacitor loses its formation, so that it becomes a appropriate charge and high formation current are required, the forming current being a multiple of the charging current. One tries therefore the condensate to be treated in such a way that the formation is largely preserved remains and the decrease in capacity due to the influence of Charging voltage is as low as possible. A common one The solution to this is a capacitor with a capaci to use, which is about four times the actually necessary agile capacity, and the capacitor at only about 60% of the required trigger voltage on standby hold. Only when the assigned one is triggered Switch is charged to the necessary trigger tension. This can ver with a significant forming current be bound, which delays the triggering of the switch is (DE 197 38 699 A1).

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 und von einem Verfahren zum Aufladen einer in einer solchen Schaltungsanordnung ange ordneten Kapazität mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 2 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Schaltungsanordnung zur Regelung der Ladespannung so zu gestalten, daß im Auslösefall die Aufladung in möglichst kur zer Zeit erfolgen kann.Starting from a circuit arrangement with the features of Preamble of claim 1 and a method to charge one in such a circuit arrangement ordered capacity with the characteristics of the generic term of Claim 2 is the object of the invention, the circuit arrangement for regulating the charging voltage design that in the event of a trigger charging in as short a course as possible zer time can be done.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bezüglich der Schaltungsanord nung vorgesehen, daß der zweite elektronische Schalter zwi schen die Gleichrichterschaltung und den Ladewiderstand ge schaltet ist und in Abhängigkeit von der Höhe und dem zeitli chen Verlauf der Ladespannung der Kapazität mittels eines Mi kroprozessors ansteuerbar ist. Die Ansteuerung des zweiten elektronischen Schalters erfolgt dabei zweckmäßig in der Weise, daß nach erstmaliger Aufladung und gleichzeitiger For mierung des Kondensators die Aufladung mittels des zweiten elektronischen Schalters solange unterbrochen wird, bis die Ladespannung des Kondensators bis auf Null oder nahezu Null abgenommen hat, und daß bei weiterhin gegebener Überschrei tung der Aktivierungsgrenze beziehungsweise tei erneuter Überschreitung der Aktivierungsgrenze der Kondeils.ator durch Schließen des zweiten elektronischen Schalters erneut aufge laden wird. Die Unterbrechung der Aufladung kann dabei nach Abnahme der Ladespannung bis auf Null für eine vorgebbare Zeitspanne fortgesetzt werden, wobei die maximale Länge die ser vorgebbaren Zeitspanne durch die Dauer der Aufrechterhal tung des formierten Zustandes des Kondensators bestimmt ist.To solve this problem is regarding the circuit arrangement voltage provided that the second electronic switch between the rectifier circuit and the charging resistor is switched and depending on the amount and the time Chen course of the charging voltage of the capacity using a Mi croprocessor is controllable. The control of the second electronic switch is conveniently done in the Way that after the first charging and simultaneous For mation of the capacitor, the charging by means of the second electronic switch is interrupted until the Charging voltage of the capacitor to zero or almost zero has decreased, and that if the overshoot continues the activation limit or partially Activation limit of the Kondeils.ator exceeded Close the second electronic switch again will load. The interruption of charging can occur after Decrease in the charging voltage to zero for a specifiable Period of time to continue, the maximum length being the This predeterminable period of time through the duration of the maintenance direction of the formed state of the capacitor is determined.

Eine derartige Schaltungsanordnung mit entsprechender Steue rung des Ladevorganges hat den Vorteil, daß der Kondensator immer im formierten Zustand gehalten wird, ohne ständig mit einer hohen Ladespannung belastet zu sein. Er kann daher im Auslösefall - in Abhängigkeit von der Größe des Primärstromes (Überstrom oder Kurzschlußstrom) in einem kurzen Zeitraum von etwa 5-50 ms schnell aufgeladen werden, ohne daß ein Formier strom fließt. Da der Kondensator nur in größeren zeitlichen Abständen, die je nach Vorgabe einige Stunden oder Tage oder auch Monate betragen können, mit einer der Auslösespannung entsprechenden Ladespannung beaufschlagt wird, kann auch die Größe der aus Sicherheitsgründen bereitgestellten Kapazität und damit des eingesetzten Kondensators auf den 1,5 bis 2fachen Wert der an sich erforderlichen Kapazität und damit. des erforderlichen Bauvolumens zurückgenommen werden.Such a circuit arrangement with appropriate tax tion of the charging process has the advantage that the capacitor is always kept in the formed state without constantly using a high charging voltage. He can therefore in Tripping case - depending on the size of the primary current (Overcurrent or short circuit current) in a short period of about 5-50 ms can be charged quickly without a formation electricity flows. Because the capacitor is only in larger temporal Intervals that, depending on the specification, a few hours or days or can also be months with one of the trigger voltages corresponding charging voltage can also be applied Size of the capacity provided for security reasons and thus the capacitor used on the 1.5 to Twice the value of the required capacity and thus. of the required construction volume can be withdrawn.

Ein Ausführungsbeispiel der neuen Schaltungsanordnung ist in der Figur dargestellt.An embodiment of the new circuit arrangement is in of the figure.

In Anlehnung an eine bekannte Schaltungsanordnung zur Betäti gung eines Auslösemagneten eines Leistungsschalters (DE 197 38 699 A1) zeigt die Figur eine Gleichrichterschal tung 5, die über die Sekundärwicklung 4 eines Stromwandlers 3 aus einer Phase 1 eines Niederspannungs-Energieverteilungs netzes gespeist wird. Der Gleichrichterschaltung ist als Ver braucher ein Auslösemagnet 10 zugeordnet, der im Falle seines Ansprechens einen in der Phase 1 angeordneten Schalter 2 an steuert. Im Stromkreis des Auslösemagneten 10 sind eine Diode 16 und ein elektronischer Schalter 12 angeordnet. In line with a known circuit arrangement for actuating a trigger magnet of a circuit breaker (DE 197 38 699 A1), the figure shows a rectifier circuit 5 which is fed via the secondary winding 4 of a current transformer 3 from a phase 1 of a low-voltage power distribution network. The rectifier circuit is assigned a trigger magnet 10 as a consumer, which controls a switch 2 arranged in phase 1 in the event of its response. A diode 16 and an electronic switch 12 are arranged in the circuit of the trigger magnet 10 .

Der elektronische Schalter 12 wird direkt von einer mikro prozessorgesteuerten Auslöseschaltung 18 oder indirekt über eine Ansteuerschaltung 13 angesteuert. Sowohl die Auslöse schaltung 18 als auch weitere elektronische Komponenten der Schaltung werden von einem Netzteil 19, welches einen Span nungsregler enthält, mit Spannung versorgt.The electronic switch 12 is controlled directly by a microprocessor-controlled trigger circuit 18 or indirectly via a control circuit 13 . Both the trigger circuit 18 and other electronic components of the circuit are powered by a power supply 19 , which contains a voltage regulator.

Die Auslöseschaltung 18 ist mit Signaleingängen 20, 21 verse hen, denen als Meßwerte ein an einem Meßwiderstand 22 anfal lender Spannungsabfall in Folge des über die Gleichrichter schaltung 5 fließenden Stromes und die Ladespannung einer Ka pazität 14 zugeführt werden. Bei der Kapazität 14 handelt es sich um einen Elektrolyt-Kondensator, der die für eine Auslö sung des Auslösemagneten 10 erforderliche Energie speichern kann. Die Kapazität 14 ist hierzu über einen Ladewiderstand 15 und einen zweiten elektronischen Schalter 6 an die Gleich richterschaltung 5 angeschlossen. Der Entladeweg ist über eine an die Kapazität 14 und die Auslösespule 10 angeschlos sene Diode 17 gegeben.The trigger circuit 18 is hen with signal inputs 20 , 21 verses, which as measured values an at a measuring resistor 22 beginning voltage drop due to the current flowing through the rectifier circuit 5 current and the charging voltage of a capacitance 14 are supplied. The capacitance 14 is an electrolytic capacitor that can store the energy required for a triggering of the trigger magnet 10 . The capacitance 14 is connected to the rectifier circuit 5 via a charging resistor 15 and a second electronic switch 6 . The discharge path is given via a diode 17 connected to the capacitance 14 and the trigger coil 10 .

Der zweite elektronische Schalter 6 ist direkt oder - über eine Ansteuerschaltung 23 - indirekt an die Auslöseschaltung 18 angekoppelt.The second electronic switch 6 is coupled directly or - via a control circuit 23 - indirectly to the trigger circuit 18 .

Der Mikroprozessor der Auslöseschaltung 18 ist so program miert, daß bei erstmaligem Überschreiten eines vorgegebenen Stromwertes (beispielsweise 50% des Nennstromes) im Primär stromkeis des Stromwandlers 3 der zweite elektronische Schal ter 6 angesteuert und auf Durchgang geschaltet wird, so daß die Kapazität 14 formiert und aufgeladen werden kann. Nach Abschluß des Ladevorganges wird der elektronische Schalter 6 geöffnet. Die Kapazität 14 beginnt dann, sich über ihren in neren Widerstand unter Beibehaltung der Formierung langsam zu entladen. Der Entladevorgang kann bis zur Ladespannung Null erfolgen; der spannungslose Zustand kann bis zu einem Zeit punkt beibehalten werden, der durch die Dauer der Aufrechter haltung des formierten Zustandes des die Kapazität bildenden Elektrolyt-Kondensators im entladenen Zustand gegeben ist. Diese Dauer, die zu den charakteristischen Daten des Bauele mentes gehört, kann in den Mikroprozessor einprogrammiert werden. Der "formierte Zustand" soll dann nicht mehr gege ben sein, wenn bei einer erneuten Aufladung der Kapazität der Formierstrom mehr als etwa 10% des Ladestromes betragen würde.The microprocessor of the trigger circuit 18 is programmed so that when a predetermined current value (for example 50% of the nominal current) is exceeded in the primary current circuit of the current transformer 3, the second electronic switch 6 is activated and switched to continuity, so that the capacitance 14 is formed and can be charged. After completing the charging process, the electronic switch 6 is opened. The capacitance 14 then begins to discharge slowly through its internal resistance while maintaining the formation. The discharge process can take place up to the charging voltage zero; The de-energized state can be maintained up to a point in time, which is given by the duration of the maintenance of the formed state of the capacitive electrolytic capacitor in the discharged state. This duration, which is one of the characteristic data of the component, can be programmed into the microprocessor. The "formed state" should no longer be given if, when the capacity was recharged, the forming current would amount to more than about 10% of the charging current.

Bei Auftreten eines Überstromes im Primärkreis des Stromwand lers 3 führt dies zu einem erhöhten Spannungsabfall am Meßwi derstand 22, der von der Auslöseschaltung 18 registriert wird. Daraufhin wird die Ansteuerschaltung 23 aktiviert, die ihrerseits den zweiten elektronischen Schalter 6 durchschal tet und dadurch die Aufladung der Kapazität 14 initiiert. Wenn im Primärkreis des Stromwandlers 3 der Überstrom weiter hin anhält, wird die Kapazität 14 in kürzeren Abständen auf die volle Auslösespannung aufgeladen und somit in Bereit schaft gehalten. Wenn der Überstrom im Primärkreis des Stromwandlers 3 eine vorgegebene zeitliche Grenze über schreitet, wird der erste elektronische Schalter 12 ange steuert und schließt den Stromkreis des Auslösemagneten 10. Die Kapazität 14 entlädt sich sodann über die Diode 17 und bringt den Auslösemagneten 10 zum ansprechen.If an overcurrent occurs in the primary circuit of the current transformer 3 , this leads to an increased voltage drop at the measuring resistor 22 , which is registered by the trigger circuit 18 . Thereupon, the control circuit 23 is activated, which in turn switches the second electronic switch 6 and thereby initiates the charging of the capacitance 14 . If the overcurrent continues in the primary circuit of the current transformer 3 , the capacitance 14 is charged to the full trigger voltage at shorter intervals and is thus kept on standby. If the overcurrent in the primary circuit of the current transformer 3 exceeds a predetermined time limit, the first electronic switch 12 is controlled and closes the circuit of the release magnet 10th The capacitance 14 is then discharged via the diode 17 and triggers the trigger magnet 10 .

Wenn im Primärkreis des Stromwandlers ein Kurzschluß auf tritt, wird der erste elektronische Schalter 12 sofort ange steuert und schließt den Stromkreis des Auslösemagneten 10. Der Erregerstrom für den Auslösemagneten wird dann direkt durch die Gleichrichterschaltung 5 geliefert, ohne daß eine Aufladung und Entladung der Kapazität 14 erforderlich wären.If a short circuit occurs in the primary circuit of the current transformer, the first electronic switch 12 is immediately controlled and closes the circuit of the release magnet 10 . The excitation current for the tripping magnet is then supplied directly by the rectifier circuit 5 , without the need to charge and discharge the capacitance 14 .

Claims

1. Circuit arrangement for actuating the release magnet of a low-voltage circuit breaker, with a rectifier circuit fed by a current transformer,
a capacitance to be charged by the rectifier circuit in the form of an electrolytic capacitor for storing the energy required for triggering the release magnet and a first controllable electronic switch connected in series with a winding of the release magnet for discharging the capacity via the winding of the release magnet,
wherein in series with the capacity, a charging resistor and pa rallel to the charging resistor, a diode is connected, the forward direction of which corresponds to the direction of the discharge current of the capacitor, and a second electronic switch is assigned to the capacitor for regulating the charging process,
characterized
that the second electronic switch ( 6 ) between the rectifier circuit ( 5 ) and the charging resistor ( 15 ) switches ge and depending on the amount and the time profile of the charging voltage of the capacitance ( 14 ) can be controlled by a microprocessor ( 18 ).

2. A method for charging an capacitance designed as an electrolytic capacitor, arranged in a circuit arrangement with the features of the preamble of claim 1
in which the capacity - as soon as the activation limit of the circuit arrangement is exceeded - is charged by means of a current flowing through the charging resistor and the second electronic switch and the charging process is interrupted in intervals, characterized in that
that in the design of the circuit arrangement according to the Merk paint in the characterizing part of claim 1 after charging and simultaneous formation of the capacity ( 14 ) the charging by means of the second electronic switch ( 6 ) is interrupted until the charging voltage of the capacity ( 14 ) to zero or has decreased to almost zero
and that if the activation limit continues to be exceeded or if the activation limit is exceeded again, the capacity is recharged by closing the second electronic switch ( 6 ).

3. The method according to claim 2, characterized in that
that after the charging voltage has decreased to zero, the interruption of charging is continued for a predefinable period of time,
wherein the maximum length of the predetermined period of time is determined by the duration of the maintenance of the formed state of the capacitance ( 14 ).