DE2148581C3

DE2148581C3 - Schaltungsanordnung in elektrischen Versorgungsnetzen

Info

Publication number: DE2148581C3
Application number: DE19712148581
Authority: DE
Inventors: Heinz Augustin; Siegfried Ficken
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1971-09-29
Filing date: 1971-09-29
Publication date: 1975-03-06
Also published as: DE2148581B2; DE2148581A1

Description

Jie Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung elektrischen Versorgungsnetzen mit Leistungsaltern in verschiedenen Ebenen, die selektiv geleite Aiislöseciiirichtur";cn aulweisen, mit iinelzsicherungcn in der let/ten Ebene vor den "brauchern.

)as selektive Verhalten von Schutz.schaltern mit lerungen ist z. B in der Zeitschrift »Elcktro-Tcch- « vom 14. September (i3, Nr. 25, Seiten 499 und ). beschrieben. Rs wird davon ausgegangen, daß n. wenn man die Selektivitätsbedingungen zwischen Schutzschalter und Sicherung näher betrachten will, zunächst grundsätzlich unterscheiden muß, ob die Sicherung vor oder nach dem Schalter angeordnet ist. Liegt die Sicherung vor dem Schutzschalter, dann dient sie fast immer als sogenannte Vorschaltsicherung. Mit Hilfe von Vorschaltsicherungen können Schutzschalter an Netzstellen eingesetzt werden, an denen Kurzschlußströme erwartet werden, die das Nennausschaltvermögen der Schalter überschreiten, ίο Um das ordnungsgemäße Zusammenarbeiten von Schutzschalter und Vorschaltsicherung zu gewährleisten, müssen die Eigenschaften beider Schutzorgane sorgfältig aufeinander abgestimmt sein. Bei der Staffelung zwischen einem Schutzschalter und einer nachgeordneten Sicherung muß die Gesamtausschaltzeit der Sicherung kürzer als die Befehlsmindestzeit des Schutzschalters sein. Man hat also die stromabhängige Charakteristik der Sicherung mit der Auslösekennlinie des Schutzschalters zn vergleichen. Die selektive

»ο Staffelung setzt voraus, daß der von der Sicherung noch durchgelassene Strom das elektromagnetische Auslöseglied noch nicht /um Ansprechen bringt. Die Folge dieser Wirkungsweise ist, daß die selektive Staffelung einer nachgeordneten Sicherung mit nicht ver-

zögerten Schnellauslöser!! eines Schutzschalters nur bei genügend großem Abstand der Strorr.-Zeit-Auslösckennlini'Mi erwartet werden kann. Daraus ergibt sich, daß die Größe der Schmelzsicherung wegen des nicht verzögerten Schnellauslösers maximal in ihrem Nennstrom wesentlich kleiner ausgelegt werden darl als der Netzstrom des Schnellauslösers, um über dem gesamten Überlastbereich eine volle Selektivität zu erhalten. Dies ist jedoch sehr unwirtschaftlich.

Bisher wurden für elektrische Bordnetze auf Schiffen oft auch Schalter und ihre Betätigung speziell entwickelt und konstruiert, damit diese bei den verschiedenen Umwelteinflüssen wie z. B. Schock- und Rüttelbeanspruchungen keine Störungen des elektrischen Betriebes verursachen. Dieses Konzept, das wegen der im Verhältnis zur allgemeinen industriellen F-'ertigiing zu kleinen Stückzahlen von speziellen Gleichstrom- und Drehstromtypen führt, ist aufwendig.

Die Überstromauslösung der in verschiedenen Ebenen eines elektrischen Stromversorgungsnetzes, insbesondere eines Schiffs-Bordnetzes, angeordneten Schaltgeräte und Schmelzsicherungen müssen den Anforderungen nach Selektivität entsprechen, damit Überlastungen und Kurzschlüsse nur den betreffenden Teil des Netzes abschalten. Die höchstzulässigen Auslösezeiten ergeben sich für den Generator nach den Anforderungen des Gencratorschutzcs. Bei Drehstromgeneratoren und Transformatoren ist dii durch Überstrom hervorgerufene Erwärmung dahingehend zu berücksichtigen, daß bereits unterhalb kritischer Grenzwerte ausgelöst wird. Bei Gleichstromgeneratoren ist zusätzlich bei höheren Überströmen, z. B oberhalb des fünffachen Nennstromes, bereits mit einer sehr kurzen Auslösezeit abzuschalten, um einen Überschlag zwischen den Kohlebürsten zu verhindern, der bei Kollektorrundfeuer nach ausreichender Ionisierung der Luft entsteht.

Die in i\c^ nachfolgenden Ebenen des Netzes vorgesehenen Schaltgcriite und Schmelzsicherungen bis zu ilen Verbrauchern hin müssen wegen Selektivität eine gestaffelte, abnehmende Auslösez.eit aufweisen. Die bisherigen stromabhängig wirkenden Auslöseein- !'ichtungen, wie sie an Leistungsschalter!! mit Birne-

lallauslöscr und Kurzschlußschnellauslöser und an Schmelzsicherungen mit annähernd logarithmischen Abschaltkennlinien vorkommen, ergeben noch keine optimale Ausnutzung und Belastungsmöglichkeit des Netzes, weil der Verlauf ihrer jeweiligen Auslösekennlinie sehr unterschiedlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung listenmäßiger Schaltgeräte und einer zugeordneten Schaltungsanordnung eine strom-/citabhängige Auslösung zu verwirklichen, die einerseits eine optimale Belastung des Stromversorgungsnetzes und andererseits eine größere Unempfindlichkeit gegen mechanische Umwelteinflüsse ermöglicht, wie sie z. B. an Bord eines Schiffes auftreten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein dem bei jedem Leistungsschalter zu überwachenden Hauptstrom entsprechendes normiertes Spannungssignal mit einer stabilisierten Spannung als Soiiwert für die Schwelle vergleichbar ist, daß das .Spannungssignal erst bei Überschreiten des Sollwertes eine einem Leistungsschalter zugeordnete elektrische Meß- und elektronische Auswerte- und Auslöseeinrichtung mit einer vom Hauptstrom abhängigen, lognrithmischen Strom-Zeit-Auslösekennlinie wirksam werden läßt und daß die Auswerteeinrichtung ein Auslösesignal erzeugt, das als Auslösekennlinie darstellbar ist, die von einer verhältnismäßig langen Auslösezeit im Bereich des Nennstromes bei geringen Überströmen bis in den hohen Uberstrombereich, beispielsweise bis lOfachen Nennstrom, mit sehr kurzer Auslösezeit reicht.

Hin Vorteil der Erfindung liegt neben der einfachen H rsat/teilbeschaffung und Lagerhaltung darin, daß die Strom-Zeit-Auslösekennlinien dicht nebeneinander liegen. Hierdurch wird eine große Wirtschaftlichkeit erreicht. Hin weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Schaltungsanordnungen in F-orm von Flektronik-Bausteinen verwendet werden können, mit denen bei einheitlichem Aufbau eine Anpassung an verschiedene Aufgaben (z. B. als Motorschutzschalter, Verbrauchergruppen- oder Generatorschalter) möglich ist. Außerdem besteht die Möglichkeit, die gleichen listenmäßigen Schaltgeräte in Industrieanlagen und auf Schiffen einheitlich zu verwenden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Sollwert für die Schwelle zur Vorgabe der selektiven Staffelung der Strom-Zeit-Auslösekennlinien zu größeren Auslösezeiten hin veränderbar einstellbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das mit dem Sollwert für die Schwelle verglichene Spannungssignal vor tier Ausweiteeinrichtung eine weitere veränderbare Einstellung »Trägheit« erhält, die die Wirkung des Spannungssignals auf die Auswerteeinrichtung derart beeinflußt, daß damit eine veränderbare Hinstellung der Strom-Zeit-Auslösekennlinie zu höheren Strömen hin bewirkt wird.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann das Ausgangssignal der mit einem veränderbaren Zeitglied versehenen Auswertecinrichtung über ein weiteres Zeitglied mit konstanter Zeit in ein Auslöscsignal für den Leistungsschalter umgewandelt werden, wobei die konstante Zeit des Zeitgliedes einstellbar ist, um im untersten Kcnnlinienbereich, d.h. bei hohen Überströmen, eine selektive Kennlinieneinstellung /u ermöglichen. Beträgt die Eigenzeit /. B. KO bis KtO ms je Schalter, so kann im unteren Kcnnlinienbereich durch das nachgesrhaltete Zeitglied eint selektive Staffelung von 150, 300 und 450 ms vorgesehen werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nacr

der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 verschiedene Auslösekennlinien in doppell logarithmischer Darstellung,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für die stromabhängige Auslösung mit spezieller mehrfach einstellbarer Auslösemöglichkeit,

die F i g. 3 a, 3 b und 3 c die Auswirkungen der verschiedenen Einstellmöglichkeiten in doppelt logarithmischer Darstellung, wobei in F i g. 3 a die Einstelluni »Schwelle«, in Fig. 3b die Einstellung »Trägheit«

und in Fig. 3c die Einstellung »Zeit« als Auslösezeil he· hohen Überströmen dargestellt ist, und

Fig. 4 eingestellte Strom-Zeit-Auslösekennlinier verschiedener Leistungsschalter im Netz, hier für eir Schiffsdrehstromnetz.

In Fig. 1 ist mit 1 eine bereits voreingestellu Strom-Zeit-Auslösekennlinie eines Leistungsschalters angegeben, die der Netz- und Generatorbelastun^ optimal angepaßt ist. Diese Anpassung wurde mit der Hinstellmöglichkeiten gemäß der Fi g. 3 a, 3 b und 3 c

vorher herbeigeführt. In Fig. 1 zeigen die Kennlinien 2 und 3 Strom-Zeit-Auslösekennlinien vor Schmelzsicherungen etwa nach dem normungsgemäßen Verlauf, wobei die Sicherung mit der Kennlinie 2 eine höhere Nennstromstärke aufweist als die Schmelzsicherung mit der Kennlinie 3. Beide Sicherungen sind gegenüber der Auslösekennlinie des elektronischen Bausteins selektiv, d.h. sie würden bei allen möglichen gemeinsamen Überlastungen zeitlicr früher auslösen. Mit 4 ist eine Strom-Zeit-Auslösekennlinie bezeichnet, die die Überstrom- und Kurzschlußauslösung bisheriger Leistungsschalter in eineir typischen Beispiel zeigt. Der schraffierte Teil 4 a gibi dabei den von der Umgebungstemperatur abhängiger Auslosebereich eines Bimetallauslösers bei geringer Überströmen an. Der Kennlinicnteil 4b kennzeichne! den Kurzschlußschnellauslöser bei hohen Überströmen. Die Kennlinie 5 zeigt die bisher übliche Strom-Zeit-Auslösekennlinie auf Schiffen, wobei der unterste Auslösepunkt Sa in einem eingeengten Bereich

durch die Klassifikationsvorschrift festgelegt ist. Dieser Punkt 5a kann z. B. auf das 2,5fache des Generatornennwertstromes eingestellt sein.

Will man in den verschiedenen Ebenen des Stromversorgungsnetzes im gesamten Überstrombereicr

eine selektive Auslösung beibehalten, um Überlastungen und Störungen im Netz nur noch auf den betroffenen Teil zu beschränken und andere Netzteile unberührt und damit in Betrieb zu lassen, so ist e; erforderlich, bei Anwendung bisheriger Schalteinrichtungen die maximale Größe der nachgeschalteter Schmelzsicherungen auf kleinere Werte zu begrenzen damit deren Kennlinien nicht die Strom-Zeit-Auslösekennlinien 4 und 5 schneiden. Hierbei wird da; Net/ und der Generator nicht optimal ausgenutzt bzw beansprucht. Verwendet man demgegenüber eine Slrom-Zeit-Auslösekennlinic entsprechend dei Kennlinie 1, die den erforderlichen Bedingungen stufenlos anpaßbar ist, so ergibt sich eine bessere ausnutzungsmöglichkeit für Netz, und Generator. Außerdem besteht die Möglichkeit, die maximale Größe nachgeschalteter Schmelzsicherungen auf wesentlich höhere Werte festzulegen.

Der Schaltungsanordnung in Fig. 2 wird übet

cine zeichnerisch nicht dargestellte Mcßschallung (Wandler oder Shunt), die einen gemessenen Strom in ein normiertes Spannungssignal 6 von z. B. 1 Volt = I X Nennstrom, 10 Volt = K) Χ Nennstrom umwandelt, ein normiertes Spannungssignal 6 über einen Bewertungswiderstand r_ft in die Schaltungsanordnung gegeben. Dieses Spannungssignal wird zunächst mit einer konstanten Spannung über einen Bewertungswiderstand r₅ verglichen, die an einem Potentiometer r„„ als Sollwert für die »Schwelle« einstellbar ist. Dieser Vergleich bewirkt, daß nur Überströme oberhalb der Einstellung »Schwelle« in der Schaltungsanordnung wirksam werden. Bevor diese Vergleichsspannung der nachfolgenden Schaltungsanordnung zugeführt wird, erfolgt mit Hilfe eines Potentiometers r_h| die Einstellung »Trägheit«, indem je nach Hinstellung ein mehr oder weniger großer Betrag dieser Vergleichsspannung weitergegeben wird. Ein linearer integrierter Schaltkreis p_s ist mit seiner Beschattung als Integrator mit nichtlinearer Charakteristik wirksam. Bei einem oberhalb der Schwelle liegenden Eingangssignal 7 wird in einer Auswerteeinrichtung 8 über einen Kondensator ic, ein Integrationsstrom 9 fließen, der sich aufteilt in den über einen Widerstand r,, fließenden Gegenkopplungsstrom 10 und in den über Dioden ηJn^ fließenden Ableitstrom 11. Das Verhältnis zwischen Gegenkopplungs- und Ableitungsstrom verschiebt sich dabei um so mehr in Richtung Ableitstrom, je größer das Eingangssignal 7 ist. Hieraus ergibt sich, daß die Zeitkonstante der Auswcrtecinrichtung 8 um so kürzer ist, je höher das Eingangssignal 7 wird. Die Abhängigkeit ist nicht linear, sondern stark vom Kennlinienverlauf der Dioden n.l η<, abhängig. Die Kennlinie kann zusätzlich durch eine Größenänderung eines Widerstands r₁₄ geändert werden. Der Temperaturfühler der Dioden π₄/n_s wird durch in den Gegenkopplungsstrom 10 zusätzlich eingebaute Dioden n_?/n, kompensiert

Bei Anstehen eines Eingangssignais 7 bei Überstrom im Netz wird die Ausgangsspannung des integrierten Schaltkreises p₅ sich entsprechend der Beschaltung so lange verringern, bis diese Ausgangsspannung bei Null nicht mehr über eine Diode n₆ auf den Integrationsteil der Auswerteeinrichtung 8 einwirkt. Zu diesem Zeitpunkt schaltet das Ausgangssignal des Schaltkreises p< praktisch unverzögert zum entgegengesetzten Potential durch und bewirkt damit über eine Diode n-, ein Auslösesignal 12 für ein nachgeschaltetes Zeitglied 13. Das Zeitglied wird mit Hilfe eines Potentiometers r_M auf eine konstante »Zeit« eingestellt. Nach Ablauf dieser verhältnismäßig kurzen Zeit (z. B. 0,1 bis 0,5 Sekunden) wird mit dem Auslösesignal 14 ein Leistungsschalter od. dgl. ausgelöst (Arbeitsstrom- oder Ruhestromauslösung am Leistungsschalter).

Die in den Fig. 3a bis 3c angegebenen Strom Zeit-Auslösekennlinien und Einstellbereiche wurden mit Hilfe der Schaltung nach Fig. 2 durch Messung ermittelt. Wird zum Beispiel das Potentiometer r,„ von oben nach unten verstellt, so ändert sich die Einstellung »Schwelle« von dem Nennstrom auf das 2fache des Nennstromes. Man erkennt aus Fig. 3a,

ίο daß mit der Veränderung der Schwelle die Strom-Zeit-Auslösekcnnlinie besonders im oberen Bereich angehoben wird.

Wird das Potentiometer r,,, von oben nach unten verstellt, so ändert sich die Einsteilung »Trägheit«", d.h. die Steilheit der Strom-Zeit-Auslösekennlimc, im unteren Kcnnlinienbereich von dem P.fachcn dos Nennstromes auf das Sfache. Man erkennt aus F"ig. 3b, dali damit eine ausreichende Anpassungsmöglichkeit an das Netz und die Gencratorbelastun- gen gegeben ist.

Wird das Potentiometer r_M von oben nach unten verstellt, so ändert sich die Einstellung »Zeit« besonders bei hohen Überströmen (vergl. Fig. 3c, z. B. von 450 msec auf 150 msec). Man erkennt auf dieser

»5 Strom-Zeit-Auslösekennlinie, daß auch für diesen Bereich eine selektive Staffelung verschiedener Schaltgeräte im Netz hergestellt und durch entsprechende niedrige Einstellung auch Kurzschlüsse auf Gleichstromgeneratoren rechtzeitig ohne Überschlag abgeschaltet werden können.

Aus Fig. 4 ist die über den gesamten Bereich vorhandene Selektivität der Auslösung für die in den verschiedenen Ebenen des Netzes vorgesehenen Leistungsschalter ersichtlich. Die Strom-Zeit-Auslösckennlinie eines Generator- oder Landanschlußschalters ist mit 15, die Auslösekennlinie eines Übcrlcitungsschalteis ist mit 16 und die Auslösekennlinie eines Verbrauchcrgruppenschalters ist mit 17 bezeichnet. Für ein derartiges Netz wird beispielsweise die Einstellung »Trägheit« für alle Schalter konstant auf das 7,5fache des Nennstromes eingestellt, während in den zu jedem Schalter zugehörigen Elektronikbausteinen die Einstellungen »Schwelle« und »Zeit« unterschiedlich vorgenommen werden.

Die Vorteile bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Strom-Zeit-Auslösekennlinicn in den verschiedenen Ebenen des Netzes bleiben ebenso erhalten, wenn statt der den Endverbrauchern vorgeschalteten Schmelzsicherungen teilweise oder ganz selbst-

tätige Netz- und Geräteschutzschalter vorgeseher werden, da deren Strom-Zeit-Auslösekennlinien ir der Regel unterhalb der Strom-Zeit-Auslösekennlinien von vergleichbaren Schmelzsicherungen liegen

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung in elektrischen Versorgungsnetzen mit Leistungsschaltern in verschiedenen Ebenen, die selektiv gestaffelte Auslöseeinrichtungen aufweisen, mit Schmelzsicherungen in der letzten Ebene vor den Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem bei jedem Leistungsschalter zu überwachenden Hauptstrom entsprechendes normiertes Spannungssignal (6) mit einer stabilisierten Spannung als Sollwert für die Schwelle vergleichbar ist, daß das Spannungssignal (6) erst bei Überschreiten des Sollwertes eine einem Leistungsschalter zugeordnete elektrische MeB- und elektronische Auswerte- und Auslöseeinrichtung (8) mit einer vom Hauptstrom abhängigen, logarithmischen Strom-Zeit-Auslösekennlinie wirksam werden läßt und daß die Auswerfeinrichtung (8) ein Auslosesignal (12) erzeugt, das als Auslösekennlinie (1) darstellbar ist, die von einer verhältnismäßig langen Auslösezeit im Bereich des Nennstromes bei geringen Überströmen bis in den hohen Überstrombereich, beispielsweise bis lOfachen Neiin-Mrorn, mit sehr kurzer Auslösezeit reicht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für die Schwelle /ur Vorgabe der selektiven Staffelung der Strom-Zeit-Auslosekennlinien (1) /u größeren Auslöse/eiten hin veränderbar einstellbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Sollwert lür die Schwelle verglichene Spannungssignal (6) vor der Auswerteeinrichtung (8) eine weitere veränderbare Hinstellung »Trägheit« erhält, die die Wirkung des Spannungssignals (6) auf die Auswerteeinrichtung (8) derart beeinflußt, daß damit eine veränderbare Hinstellung der Strom-Zeit-Auslosekennlinie /u höheren Strömen hin bewirkt wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (12) der mit einem veränderbaren Zeitglied versehenen Auswerfeinrichtung (8) über ein weiteres Zeitglied (13) mit konstanter Zeit in ein Auslösesignal (14) für den Leistungsschalter umgewandelt wird, wobei die konstante Zeit des Zeitgliedes einstellbar ist, um im untersten Kcnnlinicnbc reich, d. h. bei hohen Überströmen, eine selektive Kennlinieneinstellung zu ermöglichen.