DE2135494A1

DE2135494A1 - Schutzschaltung für einen statischen Schalter

Info

Publication number: DE2135494A1
Application number: DE19712135494
Authority: DE
Inventors: Floyd Lester Lansdowne Pa. Steen (V.StA.). H03k 1-02
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-07-16
Filing date: 1971-07-15
Publication date: 1972-01-20
Also published as: FR2098442B1; FR2098442A1; US3611043A

Description

Schutzschaltung für einen statischen Schalter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung für einen elektrischen Leistungsschalter .und insbesondere auf eine Anordnung aus einem Festkörperschalter (Thyristor), der den zwischen einer Quelle und einer Last fließenden elektrischen Strom wahlweise zulassen oder unterbrechen soll, sowie eine Einrichtung zum Abtrennen der Last von der Quelle in einem abnormalen Fall, wenn der Thyristorschalter ausfällt.

In der Technik der Verteilung und des Verbrauchs elektrischer Leistung ist es allgemein üblich. Schalter zum Auslösen oder Beenden des Laststromtlusses auf Befehl zu verwenden. Diese Schalter künnen vorzugsweise als steuerbare Festkörperschalter, wie Thyristoren, aufgebaut sein. Da bei solchen Schaltern keine beweglichen Teile zum Sch υ essen oder Unterbrechen des Stromkreises verwendet w<*rdea, sind diese in der Technik als statische Schalter bekannt. Statische Schalter können mit Überstromschutzeinrichtungen versehen sein, «it deren Hilfe sie den Last-

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strom in Abhängigkeit von einem festgestellten Überstrom einer bestimmten vorgewählten Größe unterbrechen können.

Wie bekannt ist, sind-Thyristoren Halbletter bauelemente mit mehreren abwechselnden Schichten aus p-und n-^3itendesi) Halbleitermaterial, in denen mehrere gleichrichtende Übergänge gebildet sind. Die abwechselnden Schichten aus p- und η-leitendem Material sind zwischen zwei Hauptelektroden (von denen die eine als Anode und die andere als Katode bekannt ist) übereinandergeschichtet. Außerdem enthalten Thyristoren eine Art von Steuereinrichtung (beispielsweise eine Steuerelektrode), die die Stromleitung zwischen der Anode und der Katode auslöst. Ein an eine Spannungen quelle und eine Last angeschlossener Thyristor verhindert normalerweise das Fließen eines nennenswerten Stroms zwischen seiner Anode und seiner Katode, bis er mit Hilfe der Steuereinrichtung in einem Zeitpunkt gezündet wird, in dem die Anode in Bezug auf die Katode positiv vorgespannt ist, worauf er plötzlich in einen relativ niederohmigen Leitungszustand umschaltet. Ein einmal leitender Thyristor leitet auch ohne weitere Auslösung Laststrom, solange die Größe des Stroms über einem vorbestimmten Halte wert bleibt. Wenn die Größe des Stroms unter diesen Haltewert absinkt, schaltet der Thyristor in einen relativ hcchohraigen Zustand um, worauf der Laststrom bis zum darauffolgenden Zünden des Thyristors gesperrt wird.

Statische Schalter können sowohl in Gleichstrom- als auch in Wechselstrom netzen verwendet werden. In einem Wechselstromnetz werden Thyristorpaare (beispielsweise steuerbare Kristallgleichrichter SCR) normalerweise in einer gegenparallelen Anordnung verwendet, damit sowohl

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die positive als auch die negative Halbwelle dor angelegten Spannung der Last zugeführt werden kann.

thyristoren sind zwar Festkörperbauelemente und als solche relativ zuverlässig und langlebig, doch können sie trotzdem manchmal ausfallen. V/enn einThyristor ausfällt, verliert er seine Fähigkeit, Strom zu sperren, und er wirkt daher als Kurz s CbIu₁Q ο-Es besteht daher die Möglichkeit, daß in einem statischen Schalter einer oder mehrere ausgefallene Thyristoren das Fließen von Strom zur last zu-einem Zeitpunkt zulassen, in dem der Schalter den Strom sperren sollte. Auf die normalerweise vorgesehene Überstromschutzeinrichtung ist beim Feststellen dieses Stroms kein Verlaß, da die Größe des Stroms niedriger als der vorgewählte Überstromauslösewert ist. Das Auftreten eines Stroms in der Last zu einem Zeitpunkt, in dem eigentlich kein Strom vermutet wird, kann potentiell unsicher sein, und es ist stets unerwünscht.

Wenn ein Thyristor ausgefallen (kurzgeschlossen) ist, kann mit dem Schalter das Fließen eines Fehlerctroms nicht mehr bewirkt werden, falls der Fehler auftritt, wenn der Thyristor leitend ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung für einen statischen Schalter zu schaffen, mit der die Energiequelle von der Last abgetrennt werden kann, auch wenn ein Thyristor im statischen Schalter dann'ausfällt, wenn er Laststrom sperren soll.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 ein Funktionblockscbaltbild der erfindungsgemäßen Schutzschaltung mit einem statischen Schalter in einem Netzkreis und

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Pig.2 eine schematische Darstellung eines Teils der in Fig.1 dargestellten Anordnung.

Nach der Erfindung ist eine Schutzschaltung für einen in einem Netz angebrachten statischen Schalter mit einem Thyristorschalter zum leiten von Strom zwischen einer S pan mings quelle und einer Last sowie mit einer einen ersten und einen zweiten Zustand aufweisenden Steuers haltung, die in ihrem ersten Zustand den Thyristorschal ter leitend macht und in" ihrem zweiten Zustand nicht leitend machen kann, derart ausgebildet, daß in Serie zu -« dem Thyristorschalter ein im Ruhezustand leitender Hilfsschal ter angebracht ist, und daß an die Steuerschaltung und das Netz eine Anordnung angeschlossen ist, die den Hilf s scha lter in Abhängigkeit vom Vorhandensein vom Laststrom im Netz im zweiten Zustand der Steuerschaltung derart betätigt, daß der Laststrom unterbrochen wird.

Die Steuerschaltung legt an den Thyristorschalter ein Ein-Signal; die Anordnung zum Betätigen des Hilfsschalters enthält einen Stromfühler und eine Und-Schaltung, deren erster Eingang an die Steuerschaltung und deren zweiter Eingang an den Stromfühler angeschlossen ist $ die Und-Schaltung betätigt dabei den Hilfsschalter in Abhängigkeit von der Koinzidenz eine3 von der Steuerschaltung erzeugten ersten Signals, das anzeigt, daß der Thyristorschalter den Laststrom sperren soll, und eiues von dem Stromfühler erzeugten zweiten Signals, das anzeigt, daß der Lastatroui fließt.

Wie aus Fig.1 zu erkennen ist, speist eine Dreiphasenwechselstromquelle 1 die Last 3. Zum Herbeiführen oder

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zum Beenden des Pließens des Laststroms ist zwischen die Quelle und die Last ein Schalter eingefügt« Dieser
Schalter iat als statische Schutzschaltung 2 bezeichnet, da sie einen statischen Schalter 4 enthält.

Zum Steuern des Leitungszustandes des statischen Schalters, d.h. zumHerbeiführen oder zum Beenden der Stromleitung in dem Schalter, enthält die statische Schutzschaltung auch eine Steuerschaltung 6, die zwei Betriebszustände, nämlich einen "Ein"- und einen "Aus"-Zustand aufweist; Die
Steuerschaltung 6 ist so ausgebildet, daß sie entweder
von Hand oder durch eine geeignete automatische Einrichtung, die auf einen festgestellten Fehler anspricht, von ihrem Ein-Zustand in ihren Aus-Zu3tand geschaltet werden kann, (wodurch der statische Schalter 4 zum Sperren des L^ststroms veranlaßt wird). Die statische Schutzschaltung kann außerdem (nicht dargestellte) Kommutierungseinrichtungen enthalten, die den statischen Schalter bei einem sehr
schnellen Ansprechen auf eine Betätigung durch die automatische Fehlerfühlvorrichtung zwangskommutieren.

Der statische Schalter 4 enthält für jede Phase des
Netzes einen Thyristorschalter 5uB»mit eine bidirektionale Laststromleitung ermöglicht wird, enthält jeder der
Thyristorschalter 5 zwei gegenparallel verbundene Thyristorzweige, nämlich die Thyristorzweige 5a und 5b·

Die Thyristorzweige 5a und 5b sind mit einer D_oppelsteuerelektrode dargestellt, damit symbolisch ausgedrückt wird, daß jeder Zweig aus einer Reihe von gleichgepolten Leistungsthyristoren bestehen kann. Die Anzahl der Thyristoren in Jedem Zweig hängt von der gewünschten Strousjhaltfähigkeit des Schalters ab. Es sei bemerkt, daß die Thyristorzweige 5a und 5b natürlich auch jeweils nur einen Transistor enthalten können, wenn es erwünscht ist. Zur Bildung eines Hochspannungs-

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schaltexs können zusätzliche Thyristoren jeweils in Serie zu den dargestellten Thyristoren geschaltet werden, wenn es erwünscht wird.

Die Steuerschaltung 6 liefert in ihrem Ein-Zustand Steuersignale zu den ThyristOren,so daß der Schalter 4 in den leitenden Zustand versetzt wird, worauf zwischen der Quelle 1 und de: Last 3 Laststrom fließen kann. In ihrem Aus-Zustand werden von der Steuerschaltung 6 an einen der Transistoren Steuersignale geliefert. Wenn die Steuerschaltung 6 also in diesem Zustand ist sollte der statische Schalter 4 das Fließen von Laststrom sperren.

Zum Abtasten der Größe des durch jede Phase des Schalters fliessenden Stroms ist ein Stromtrans formator 10 vorgesehen. An die Steuerschaltung 6 und an den Stroratransformator 10 ist ein Kurzschlußfühler 9 zum Feststellen eines Thyristorkurzschlusses angeschlossen, dessen Ausgang rait einem im Ruhezustand geschlossenen Hilfsschalter 7 in Verbindung steht, dessen Hauptkontakte 8 in Serie zu den Thyristorschaltern 5 der stoischen Schutzschaltung liegen. Der Hilfsschalter 7 ist so angeordnet, daß sich seine Kontakte .8 unter Abtrennung der Last 3 von der Wechselstromquelle 1 und unter Sperrung des Laststroras öffnen, wenn er vom Kurzschlußfühler in Abhängigkeit e£nes Fehlers des statischen Schalters 4 betätigt wird.

In Fig.2 ifijfc eine schematische Darstellung eines Teils der in Fig.1 dargestellten Anordnung gezeigt, wobei die bevorzugte Ausführungsform des Kurzschlußfühlera 9 im Detail gezeigt ist. Wie man dort erkennen kann, bilden die Widerstände R1 und R2 einen Spannungsteiler zur richtigen Vorspannung der Basis des Transistors Q2.

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Der Stromtransformator 10 ist so angeordnet, daß er die Spannungsteilerwiderstände RI und R2 direkt mit Strom speist, wenn durch den statischen Schalter Laststrom fließt· In Kaskade zum Transistor Q2 ist ein Halbleiterschaltelement , der Transistor Q3 angeschlossen (wobei der Emitter des Transistors Q3 mit der-Basis des Transistors Q3 verbunden ist). Der Emitter des Transistors Q3 ist an eine gemeinsame, als Masse dargestellte leitung einer Steuerspannungs^- q_uelIe angeschlossen. Die Kollektoren der Transistoren Q2 und Q3 sind über eine Einschwingunterdrückungsdiode CR1 an den Kollektor des Transistors Q1 angeschlossen. Die Kollektoren der Transistoren Q2 und Q3 sind auch an eine Seite einer Spule TC angeebhlossen, die eine Auslösespule zur Betätigung des Hilfsschalters 7 ist. Die andere Seite der Spule TC ist mit dem Kollektor de3 Transistors Q1 verbunden- Der Emitter des Transistors Q1 ist an eine Klemme B der S teuer spa η η ungs quelle angeschlossen, damit an ihn eine positive Vorspannung angelegt wird. Die Basis des Transistors Q1 ist über den Yorspannungswiderstand R3 an den Emitter des Transistors Q4 angeschlossen. Der Emitter des Transistors Q4 ist über einen Vorspannungswiderstand R5 mit dem Punkt verbunden, an dem die positive Vorspannung anliegt. Die Anode einer Trenndiode CR2 steht mit dem Kollektor des Transistors Q4 in Verbindung,während ihre Diode an die Katode der Zcnerdiode Z1 angeschlossen ist. Die Anode der Diode CRZ steht auch a it dero Emitter des Transistors Q5 in Verbindung. Die Anode der Zenerdiode Z1 liegt an Masse. Der Widerstand R4 liegt zwischen dem Punkt nit der positiven Vorspannung und der Anode der Zenerdiode Z1. Der Widerstand R4 und die Zenerdiode Z1 erzeugen eine Vorspannung für

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den Emitter des Transistors Q5, während die Diode 0R2 sicherstellt, daß die Basis-Emitter-Sperrspannung des Transistors Q5 nicht von der Zenerspannung überschritten wird. Der Kollektor des Transistors Q5 ist an die Basis des Transistors Q4 angeschlossen. Zwischen die Basis des Transistors Q5 uisäMasse ist ein Kondensator 01 eingefügt, der ein Störunterdrückungsfilter für die am Punkt P ankommenden Signale bildet. Der Widerstand R6 ist an die Basis des Transistors Q5 angeschlossen, und er begrenzt den Basisstromzufluß, wenn am Punkt P ein positiven Eingangssignal anliegt. Die Transistoren Q1 und Q3 bilden eine mit zwei Eingängen versehene logische Und-Schaltung zur Steuerung der Betätigung (d.h. des Öffnens) des Hilfsschalters 7 über seine Auslösespule TC, Das erste Eingangssignal an der Und-Schaltung ist ein Signal , das anzeigt, daß die Steuerschaltung 6 der statischen Schutzschaltung in ihrem Aus-Zustand ist (d.h. daß von! Thyristorschalter angenommen wird, daß er den durch ihn fließenden Strom sperrt). Das erste Eingangssignal ergibt sich aus einem von der Steuerschaltung 6 gelieferten Signal, und es wird dem Tranaistor Q1 zugeführt* Das zweite Eingangssignal zur Und-Schaltung ist ein Signal, das anzeigt, daß der laststrom tatsächlich fließt. Das zweite Eingangssignal ergibt sich aus einem vom Stromtransformator 10 gelieferten Signal, und es wird dem Transistor Q3 zugeführt.

Bei Koiniidenz der ersten und zweiten Eingangs signale an der logischen Und-Schaltung sind alle drei Transistoren Q1, Q.2 und Q3 gleichzeitig eingeschaltet, und die Auslösespule TC ist durch die positive Vorspannung B erregt. Sie betätigt den Hilfsschalter 7* so daß der Laststrom durch das Öffnen der Sntakte 8 automatisch unterbrochen wird.

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E.3 folgt nun eine genaue Erklärung der Wirkungsweise der Anordnung. An den Punkt P wird von der Steuerschaltung 6 jedesmal ein positives Eingangssignal angelegt, wenn sich die Steuerschaltung in ihrem Aus-Zustand befindet, d.h., wenn von den !Thyristorschaltern 5 angenommen wird, daß sie das Fließen von Lastatrom sperren. Wenn die Signalspannung am Punkt P die vom Widerstand R4 und von der Zenerdiode Z1 gebildete Vorspannung übersteigt, d.h. wenn von der Steuerschaltung 6 ein positives Signal geliefert wird, beginnt der Transistor Q5 zu leiten. Wenn der Transistor Q5 zu leiten beginnt, beginnt auch der in Kaskade gestaltete Transistor Q4 zu leiten, worauf der normalerweise gesperrte Transistor Q1 in Durchlaßrichtung vorgespannt und daher eingeschaltet wird. Wenn der Transistor Q1 zu leiten beginnt, gelangt die positive Vorspannung vom Punkt B zu einer Seite der Au3lösespule TC des Hilfsschalters, damit sie zur Erregung vorbereitet wird.

Jedesmal wenn Laststrom fließt, wird dies vom Stromtransformator 6 festgestellt, der ein den Stromfluß anzeigendes Gleichstromsignal· liefert. Wie bereite erwähnt wurde, kann der Laststrom infolge eines kirzgeschlosseneη Thyristors auch dann fließen, wenn sich die Steuerschaltung 6 in ihrem Aus-Zustand befindet. ImFaIIe eines massefreien Netzes, wenn wenigstens zwei gleich gepolte Zweige von zwei Phasenschaltern ihre Sperrfähigkeit verlieren, stellt der Stroratransformator 10 den resultierenden Strom zwischen den kurzgeschlossenen Phasen fest und erzeugt in Abhängigkeit davon ein positives Spannungssignal. Dieses Signal wird als Eingangsgröße an die Basis de3 Transistors Q2 über die Spannungsteileranordnung aus den Widerständen R1 und R2 angelegt, so daß der Transistor Q2 leitend wird. In Abhängigkeit vom leitenden Zustand des Transistors Q2

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wird auch der Transistor Q3 leitend. Wenn der Transistor Q2 leitend wird, wird die Auslösespule TC durch den zwischen den Punkt B mit positiver Vorspannung und Masse über die leitenden Transistoren QI und Q3 fließenden Strom erregt, Wenn sie erregt ist, bewirkt die Auslösespule TC öas Öffnen der Hauptkontakte 8 des im Ruhezustand geschlossenes Hilfssehalters 7, worauf der gesamte durch den statischen Hilisschalter 4 fließende Strom unterbrochen wird.

Die Diode CR1 ist vorgesehen, damit Einschwingspannungen unterdrückt werden, die auftreten, wenn der Strom in der Auslösespule TC als Folge des Übergangs eines oder beider Transistoren Q1 und Q3 in den nicht leitenden Zustand abfällt.

Patentansprüche

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Claims

Pate nta nsprüche

1.^Schutzschaltung für einen in einem Netz angebrachten statischen Schalter mit einem Thyristorschalter zum Leiten von Strom zwischen einer Spannungsquelle und einer Last sowie mit einer einen ersten und. einen zweiten Zustand aufweisenden Steuerschaltung, die in ihrem- ersten Zustand den Thyristorschalter leitend macht und in ihrem zweiten Zustand den Thyristorschalter nicht leitern machen kann, , dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu dem Thyristorschalter ein im Ruhezustand leitender Hilfsschalter angebracht ist, und daß an die Steuerschaltung und das Netz eine Anordnung angeschlossen ist, die den Hilfsschalter in Abhängigkeit vom Vorhandensein vom Laststrora im Netz im zweiten Zustand der Steuerschaltung derart betätigt, daß der Laststrom unterbrochen wird.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung an den Thyristorschalter ein Ein-Signal legt, und daß die Anordnung zum Betätigen des Hilfsschalters einen Stromfühler und eine Und-Schaltung enthält, deren erster Eingang an die Steuerschaltung und deren zweiter Eingang an den Stromfühler angeschlossen ist, wobei die Und-Schaltung den Hilfsschalter in Abhängigkeit von der Koinzidenz eines von der Steuerschaltung erzeugten ersten Signals, das anzeigt, daß der Thyristorschalter den Laststrom sperren soll, und eines von dem Stromfühler erzeugten zweiten Signals, das anzeigt, daß der Laststrom fließt, betätigt.

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Schutzschaltung nach Anspruch 2* dadurch golrenriKGichiiot, daß tier Hilfsbehälter eine Spule zum Versetzen des IIilr.5· schalters Iu den nichtleitenden Z us 1c η ti enth-ilt, daß eine A >.· or timing, dio dio Spule; (ί<?ν?ί?ΐ. erregt, dal? der Last ο t r ο pi u nt s r b r ο ο h e η w 1 r d, fa 11;-; d ο r ΐ 1 iy r i v. t c r schalter in Abwesenheit einen Ein-Sißtnlo 1 ei to iod viird, den Otronifühler und eine "Vornpanniingnquelle enthält, daß die Und-Schaltung an die Spule und an die Vorspaηnungnquelle an^esohlosaen iöt, und erate und aweite Halbleiterschaltelemente mit jewelIo ersten und zweiten Steuereleirtrodeu aufv.'eist, daß die ernte Steuerelektrode zum Empfang eines ersten Signals, das anzeigt, daß der Thyristorschnlter den ßtromfluß sperren soll, an die Steuerschaltung angeschlossen ist, und daß die sweite Steuerelelctrode zura Empfang eines das !''ließen von Lastßtrom anaeigenden zweiten Signals an den Strocifühler angeschlonsen ist, wobei die Spule bei Koinzidenz zwischen den ersten und zweiten Signalen von der Vorspann ungs quelle erregt wird.

SAD ORfQfNAL

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