DE2263540C3 - Schaltungsanordnung zur Überwachung der Erwärmung von stromdurchflossenen Schützlingen, insbesondere Leitungen und Kabeln - Google Patents

Description

22 63 54Q

mes nach der Funktion I³ · t = konstant abhängt. Dieses Relais weist einen Energiespeicher auf, in den Ladungsimpulse mit überstromproportionaler Amplitude und konstanter Zeitdauer eingespeist werden. Zusätzlich ist die Frequenz der Impulse dem Überstrom proportional. Ein Pegeldetcktor löst ein Signal aus, sobald der Speicher einen gewissen Wert erreicht hat. Als Energiespeicher ist ein Kondensator eingesetzt, dfin während der Aufladezeit kein Ableitwiderstand zugeordnet ist. Wenn ein Pegeldetektor bei Erreichung eines bestimmten Ladezustandes anspricht, wird der Verbraucher über einen Thyristor und einen nachgeordneten Leistungsschalter abgetrennt. Hierdurch sinkt der Eingangsstrom der Schaltung unter den Schwellwert. Damit wird ein weiterer Thyristor gesperrt, und der Kondensator wird über einen Diodenkreis schnell entladen. Diese Schaltung wird vorwiegend benutzt, um den Anlauf von Motoren zu überwachen. In der Beschreibung der genannten OfTenlegungsschrift ist aber auch angegeben, daß man einen Enliadewidcrsiand in den Diudenkrcis legen kann, so daß die Entladung dann in vorgewählter Zeit abläuft. In dieser Form soll die Schaltung Schützlinge mit sehr großen Zeitkonstanten überwachen.

Bei dieser Schallung sowie der vorher erwähnten (AEG-Mitt. 58) ist es nachteilig, daß der Fintladewiderstand nur wirksam ist, wenn die Spannung unterhalb des Ansprechwertes eines zur Füngangsschaltung gehörenden Schwellwertschalter liegt. Dies hat zur Folge, daß die AufladezeilkonsianU· abhängig ist von der Größe des Eingangssignals, während die Zeitkonstante des Schützlings sich nicht ändert. Damit tritt ein unerwünschter Fehler auf. Auch wird die Vorerwärmung des Schützlings bei normaler Bclastung nicht erfaßt.

Zur genauen thermischen Abbildung des Schützlings ist ein hochohmiger Eüitladcwidcrstand erforderlich, der auch während der Aufladung an den Kondensator angeschlossen sein muß.

Die thermischen Zeitkonstanten der zu überwachenden Schützlinge liegen in der Giüßcnordnung von 10·'Sekunden, so daß diese nur mit großem Aufwand elektrisch nachgebildet werden können. Außerdem bedingt die Nachbildung so großer thermischer Zeitkonstanten auf elektrischem Wege sehr hohe Isr>lationswidcrstände, die nur durch besondere Maßnahmen, wie beispielsweise durch Vergießen mit Kunsthar/cn, realisiert werden können. Auch ist die zur Anpassung erforderliche Umschaltung so hoher Widerstände problematisch, weil sich wegen der fehlenden Strombelastung Undefinierte Konlak'.übergangswidcrstände einstellen. Ferner sind solche Umschalter sehr teuer, weil sie hochwertig isoliert sein müssen. ""

Aufgabe der vorliegenden Hrfindung ist es. eine wenig aufwendige Schaltungsanordnung zu schallen, mit der die [Erwärmung von slromdurchllossenen Schützlingen, insbesondere einer Leitung oder eines Kabels, selbst dann genau überwacht werden kann, wenn die Erwärmung mit einer großen thermischen Zeitkonslantcn vor sich geht. Außerdem soll sie an Leitungen, Kabel und andere Schützlinge unterschiedlichster thermischer Zeilkonslanie leicht angepaßt werden Karinen.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art crfindiingsgcmäß dadurch gelöst, daß dem Kondensator ein von einem Generator gesteuerter Nebenschluß parallel geschaltet ist, der den Kondensator im Takt der Generator-Impulse schrittweise entlädt, und daß der Takt derart bemessen ist, daß die durch ihn gesteuerte Entladung des Kondensators 8 ein Maß für die Wärmeabgabe des Schützlings ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von F i g. 1 und 2 der Zeichnung an einigen A.usführungsbeispiclen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Umformerschaltung, deren Ausgangsstromimpulse in ihrer Frequenz mit dem Quadrat des Leitungsstromes zunehmen; in

Fig. 2 sind Mittel zur Veränderung der Zeitkonstanten' dargestellt.

Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist 1 eine von dem Leitungsstrom / durchfloiscne Leitung, deren Erwärmung überwacht werden soll. Eine dem St.^f.m / proportionale Große wird über einen Wandler 2 e nem Lastwiderstand 3 zugeführt, dem eine Gleichrichterschaltung 4 nachgcschaltet ist. Die an der Gleichrichterschaltung 4 anstehende Spannung beaufschlagt eine an sich !-ckannte Umformerschaltung 5, die eine Konstantstromquellc 6 und einen Spannungs-Frequenz-Umset/er 16 enthält. In dem Impulserzeuger 16 wird die Gleichspannung der Glcichrichterschaltung 4 in Impulse umgeformt, deren Frequenz bei konstant bleibender Impulsbreite so zunimmt, daß deren Tastverhältnis mit dem Quadrat des Leitungsstromes / wächst.

Unter Tastverhältnis wird der Quotient aus Impulsdauer zur Periodendauer verstanden. Diese Impulse steuern die Konstantstromquelle 6 an, so daß am Ausgang der Umformerschaltung 5 Slromimpulse konstanter Amplitude anstehen, deren Frequenz proportional mit dem Quadrat des Leitungssifomes / zunimmt. Die Stromimpulse der Umformerschallung 5 laden über eine Diode 7 einen Kondensator 8 auf. Parallel zum Kondensator 8 ist ein durch einen Rechteckgenerator 10 steuerbarer Nebenschluß 14 geschaltet, der einen Widerstand 9 und -Mncn Transistor 15 enthält. Die Basis des Transistors 15 ist mit dem Ausgang eines Rechteckgenerator 10 verbunden. Der Emitter des Transistors 15 ist mit dem Minuspol einer Spannungsquelle 13 verbunden. Die Schaltung enthält weiterhin eine Schwcllwertstufe 11 mit einem nachgcschalteten Relais 12. Die Spannungsquelle 13 versorgt den Rechteckgenerator 10, die .Schwellwertstufe 11 und den Spannungs-Frequcnz-Umsetzcr 16. Die Funktion dieser Schaltung ist folgende:

Der Strom /, der die Erwärmung der Leitung 1 verursacht, wird über den Wandler 2 und den Lastwiderstand 3 in eine proportionale Spannung umgeformt, die in der Gleichrichterschaltung 4 gleichgerichtet wird. Am Ausgang der Glcichrichtcrschaltung 4 steht eine Gleichspannung zur Verfügung, die proportional der Amplitude des Leitungsstromes/ ist. Diese Gleichspannung steuert den in der Umformcrschaltung 5 enthaltenen Spannungs-Frcquenz-Umsclzcr 16 an, an dessen Ausgang Impulse anstc^ heu, deren Frequenz bot konstant bleibender Impulsbreite mit dem Quadrat dieser Spannung, d. h. mit dem Quadrat des zu überwachenden Leitungsstromes / zunimmt. Die Konstantstromquelle 6 wird von dem Imnulsenzeuüer 16 anßesfeuert. sn rlaR am

Ausgang der Ümformcrschaftung 5 Slromimpulsc zur Verfügung stehen, deren Frequenz mit dem Quadrat des Leitungsstromes / zunimmt. Da die Amplitude konstant ist, nimmt damit auch das Produkt aus Amplitude und Tastverhältnis quadratisch mit dem Leitungsslrom / zu. Die Konstantstromquelle 6, der Kondensator 8 und der steuerbare Nebenschluß 14 stellen dabei die eigentliche elektrische Analogieschaltung zur Nachbildung der Erwärmung der Leitung 1 dar.

Die praktische Verwirklichung der Analogie zwischen der Erwärmung einer Leitung und der Aufladung eines Kondensators einer ΛΓ-Parallehchaltung verlangt, daß sich die Spannung am Kondensator quadratisch mit dem Leitungsstrom / ändert. Diese quadratische Abhängigkeit der Kondensatorspannung von dem Leitungsstrom / ist dadurch gesichert, daß die Frequenz der Ausgangsstromimpulse üer Uiriiunircrsunakuiig 5 rriii dem Quadrat des Leitungsstromes / zunimmt. In der vorliegenden elektrischen Analogieschaltung svird außerdem die thermische Zeitkonstante, die bei Leitungen und Kabeln 10³ see betragen kann, durch die elektrische Zeilkonstante der ΛΓ-ParaIIeIschaltung 8, 9, 15 korrekt nachgebildet. Um diese großen thermischen Zeitkonstanten elektrisch mit großer Genauigkeit nachbilden zu können, wird der Kondensator 8 durch die Ausgangsstromimpulse, deren Frequen7 quadratisch vom Leitungsstrom / abhängt, der Umformerschaltung 5 impulsförmig aufgeladen und über den Widerstand 9 und den dazu in Reihe geschalteten, von dem Rechteckgenerator 10 gesteuerten Transistor 15 impulsförmig entladen. Die Konstantstromquelle 6 der Umformerschaltung 5 wird dazu in größeren Zeitabständen (Millisekunden) für nur eine kurze Zeit zugeschaltet und der Widerstand 9 zur Entladung des Kondensators 8 über den mit konstanter Frequenz laufenden Rechteckgenerator 10 mit großen Impulspausen/Impulsverhältnisse jeweils nur kurzzeitig in größeren Zeitabständen über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 15 zum Minuspol der Spannungsquelle 13 durchgeschaltet. Der Transistor 15 ist dabei immer dann durchgeschaltet, wenn am Ausgang des Rechteckgenerators 10 ein die Basis des Transistors 15 ansteuernder positiver Impuls bereitsteht. Die e-Funktion der Aufladung wird damit durch eine Treppenkurve angenähert, deren Stufen jedoch so eng gewählt werden, daß ihre Abweichungen gegenüber der e-Funktion vernachlässigt werden können. Durch diese impulsförmige Auf- und Entladung des Köjtdensators 8 wird vorteilhafterweise eine sehr große elektrische Zeitkonstante erreicht, womit die großen thermischen Zeitkonstanten bequem und sehr genau nachgebildet werden können.

Die dem Kondensator 8 und dem Nebenschluß 14 zugeführte elektrische Energie entspricht bei der zu überwachenden Leitung der in Wärme umgesetzten elektrischen Energie, hervorgerufen durch den durchfließenden Leitungsstrom /. Die an die Luft abgegebene Wärme der sich erwärmenden Leitung wird' in der elektrischen Analogieschaltung nach Fig. 1 durch die Entladung des Kondensators 8 über die Reihenschaltung aus dem Widerstand 9 und dem Transistor 15 nachgebildet. Die verbleibende Energie in der sich erwärmenden Leitung und damit die Erwärmung der Leitung selbst wird durch die Spannung am Kondensator 8 nachgebildet.

Durch Veränderung des Widerstandes 9 kann die Zeitkonslanlc in weiten Grenzen verändert werden, ohne daß die Größe des Kondensators 8 und der Ansprechwert des Schwellwertstufe 11 dabei geändert werden müßten. Dazu ist eine Umschaltung der Konstanlsiromquclle 6 erforderlich, damit sich nach der Endzeit wiederum die gleiche Spannung am Spcichcrkondensator einstellt. Somit bleibt der Ansprechwert der Schwcllwertslufe 11 unabhängig von den einzustellenden Zeitkonstanlen erhalten.

ίο Sobald die Spannung am Kondensator 8 den an der SchwellwcrtstuFe Il eingestellten Schvrcllwcrt er^ reicht hat, hat die Temperatur der durch den Strom / erwärmten Leitung 1 ihren Grenzwert erreicht, und die SchwcIIwerlstufe 11 gibt ein Aiislösesignal an das Relais 12, das den Strom / in der Leitung 1 abschaltet. Bezeichnet man mit U den Ansprechwert der Schwellwerlstufe 11, mit U₀ den Endwert, der dem Quadrat des Leitungsstmmcs / proportional ist üi'nj iiiii τ ilie elektrische Zeukunsiaiiie, su errechnet sich die Auslösezeit / zu

•In

U_n

U_n-U

In Fig. 2 sind außer den in Fig. 1 erwähnten Teilen zusätzlich zwei umschaltbare Widerstände 31, 32 vorgesehen, mit denen der Strom der Konstantstromquclle «.'* verändert wird. Dem Widerstand 9 in F i g. 1 entsprechen in Fig. 2 zwei hochohmige Widerstände 29, 30, die wahlweise durch einen Schalter 22 eingeschaltet werden können. Zu jedem Widersland 29, 30 gehören außerdem jeweils zwei als Umschalter dienende Schaltdioden 24, 25 bzw. 26, 27 und Vorwiderstände 23 bzw. 28. Kontakte 33, 34 des Schalters 22 stellen die Verbindung der Vorwiderstände 23, 28 und der umschaltbaren Widerstände 31, 32 mit dem Minuspol der Spannungsquellc 13 her. Am Knotenpunkt 20 sind die Widerstände 29, 30 an den Transistor 15 angeschlossen.

Auf- und Entladung des Kondensators 8 und Überwachung der Kondensatorspannung erfolgt in der gleichen Weise wie es bereits an Hand von Fig. 1 erläutert worden ist. Die weiteren Ausführungen beschränken sich daher auf die Maßnahmen zur Veränderung der elektrischen und damit auch der thermischen Zeitkonstanten.

In der gezeichneten Stellung des Schalters 22 wird die Amplitude der Konstantstromquelle 6 durch den umschaitbaren Widerstand 31 bestimmt, der durch den Kontakt 33 mit dem Minuspol der Spannungsquelle 13 verbunden ist. Von den beiden zur Verfügung stehenden Widerständen 29 und 30 ist bei der gezeigten Stellung des Schalters 22 der Widerstand 30 wirksam, und zwar aus folgendem Grunde:

Vom Pluspol der Spannungsquelle 13 fließt ein Strom über den Vorwiderstand 23 zum Kontakt 34 und von dort zum Minuspol der Spannungsquelle 13. Die mit dem Widerstand 23 verbundene Anode der Diode 24 hat demnach negatives Potential und ist somit gesperrt. Die Entladung des Kondensators 8 erfolgt über die Diode 25 und den Widerstand 30 auf den nachgeschalteten Transistor 15, der vom Rechteckgenerator 10 gesteuert wird. Eine Entladung des Kondensators 8 über den Widerstand 29 zum Rechteckgenerator 10 kann deswegen nicht erfolgen, weil die Diode 27 bei der angegebenen Stellung des Schalters 22 gesperrt ist Das positive Potential der Spannungsquelle 13 setzt sich nämlich in diesem Fall über

die Diode 26 zum Verbindungspunkt der Dioden 26 und 27 durch und bewirkt eine Sperrung der Diode 27, weil ddron Anode, die mit der einen Belegung des Kondensators 8 verbunden ist, ein geringes positives Potential aufweist

Bei Umschaltung des Schalters 22 auf die gc- «■•J.'idicll gezeichnete Stellung der Kontakte 33, 34 ist der Widerstand 29 maßgebend, Während die Größe des Stromes der Konslanlstromqucllc 6 durch den iimschaltbarcn Widerstand 32 festgelegt wird. Bei dieser Stellung ist die Diode 26 gesperrt, so daß eine Entladung des Kondensators 8 über die Diode 27 und den Widerstand 29 auf den Transistor 15, der durch den Rcchlccktransislor 10 gesteuert wird_t er* folgen kann. Der Schalter 22 schallet also vortcilhaflcrwcisc nicht direkt die zeitbestimmenden liocliöhinigcn Widerstände 29, 30 Um.

An Stelle von zwei Widerständen 29- 30 ist auch eine größere Anzahl Von Widerständen möglich. Stall der Dioden 24, 25, 26, 27 können auch andere hoch' sperrende Halbleiterbauelemente zur Umschaltung der Widerstände 29, 30 verwendet werden.

Die Zcilkonstanlc kann neben der Veränderung des Widerstandes 9 auch dadurch geändert werden, daß man bei konstantem Widerstand 9 das Tastverhältnis der Impulse des Rcchlcckgenerators 10 verändert.

Wird beispielsweise die Impulsdauer verlängert, so bedeutet das, daß der Transistor 15 länger dürchgeschaltet ist, womit sich der Kondensator 8 mehr entladen kann. Das heißt aber, daß ein kleinerer Widcrstand 9 vorgetäuscht wird, wodurch sich eine kürzere Zcitkonstanlc ergibt.

Der Schwcllwcrtstufc Π ist zweckmäßigerweise ein FcidelTckltiansistor im Eingang Vorgeschaltet* um ein Entladen des Kondensators 8 auf diese Schwellwertstufe 11 zu verhindern".

Weiterhin kann der Ansprechweft der Sclrwellwertslüfc 11 durch zusätzliche Elemente so beeinflußt werden, daß z. B. die Temperatur der Umgebungsluft der zu schützenden Leitung oder des zu schützcndcn Kabels zu einer Erhöhung oder Erniedrigung des Ansprcchwcrles derSchwclIwertslufc 11 führt.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann durch eine

droinlliisinfs ΠΐηοΛηπςςΓϊΐΊίΐΙίιιηη hoi f\or rlnr nrrtt\lo

Strom ausgewählt und als Spannung auf die Umforleerschaltung 5 geführt wird, auch zur Überwachung von Drehstromnelzen verwendet werden.

Grundsätzlich können mit der crfindungsgcmäßcn Schaltungsanordnung auch andere Schützlinge, wie Transformatoren oder Motoren, die sich infolge eines Stromes erwärmen, auf ihre Erwärmung hin überwacht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 senen Leitung kann mit guter Näherung durch nach- Patentansprüche: folgende Funktion beschrieben werden: 72 / —\

1. Schaltungsanordnung zur überwachung der 5 Jt I J ^fl'
Erwärmung von stromdurchflossenen Schützlingen, insbesondere Leitungen und Kabeln, die den Hierbei ist #(f) die Funktion der Temperatur ϋ in Leitungsstrom in eine proportionale Spannung Abhängigkeit von der Zeit /, ö₀ die umgebende Luftumformt, die über ein Quadrierglied einen Span- temperatur, T die thermische Zeitkonstante und k ein nungs-Frequenz-Umsetzer aussteuert, der über io Faktor, der unter anderem proportional der Wärmeeine Stromquellenschaltung einen als Speicher Übergangszahl zwischen der Leitung und der umgedienenden Kondensator auflädt, an den eine bcnden Luft ist. Die Temperatur der Leitung nähert Schwellwertstufe angeschlossen ist, dadurch sich also nach einer e-Funktion einer Endtemperatur, gekennzeichnet, daß dem Kondensa- die proportional dem Quadrat des Leitutigsstromes tor (8) ein von einem Generator (10) gesteuerter 15 is L

Nebenschluß (14) parallel geschaltet ist, der den Diese Erwärmung hat beispielsweise bei den Fahr-

Kondensator (8) im Takt der Generatorimpulse leitungen elektrischer Bahnen besondere Bedeutung,

schrittweise entlädt, und daß der Takt derart Hier stellt sich die Aufgabe, die Erwärmung dieser

bemessen ist, daß die durch ihn gesteuerte Ent- Fahrleitungen zu überwachen und bei Erreichen einer

ladung öes Kondensators (8) ein Maß für die 20 einstellbaren Grenztemperatur ein Abschalten des

Wärmeabgabe des Schützlings isi. Leitungsstromes zu veranlassen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- Bekanntgeworden ist ein thermisches Überlastdurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Neben- schutzrelais, das die Erwärmung von Fahrleitunschluß (14) einen Widersland (9) und eine dazu gen elektrischer Bahnen überwacht (Glasers Annalen in Reihe geschaltete steuerbare Halbleiterschal- 25 [ZEV] 93 [1969] Nr. 8, S. 255 bis 259). Dieses Übertung (15) umfaßt. Iastschutzrelais weist einen Kupferblcck auf, mit dem

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, da- die zu überwachende Fahrleitung thermisch nachgedurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Halb- bildet wird. Der Kupferblock erwärmt sich auf Grund leiterschaltung (15) ein Transistor ist, dessen Ba- eines dem Fahrleitungsstrom proportionalen Stromes sis mit dem Ausgang des Generators (10) 30 entsprechend der überwachten Fahrleitung. Die sich verbunden 'si. mit der Zeit ändernde Temperatur des Kupferblocks

4. Schaltungsanordnung "ach Anspruch 3, da- v/ird mit einem Widerstandsthermometer erfaßt und durch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis des in eine proportionale Spannung umgeformt, die Generators (10) einstellbar ist _auf _cj_ne nachgeschaltete Schwellwertstufe gegeben

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, da- 35 wird. Bei Überschreitung des Schwellwertes dieser durch gekennzeichnet, daß mehrere hochohmige Stufe wird ein Auslösesignal erteilt, das die Fahrlei-Widerstände (29, 30) verschiedener Größe par- tung abschaltet.

allel angeordnet sind, von denen jeweils einer Nachteilig bei diesem Überlastschutzrelais ist, daß

durch einen hochwertigen Umschalter in Serie mit der Kupferblock immer i»ur ckk ganz bestimmte

der steuerbaren Halbleiterschaltung (15) gelegt 40 Fahrleitung thermisch korrekt nachbilden kann. Soll

ist. eine Fahrleitung mit anderen thermischen Eigen-

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, da- schäften auf ihre Erwärmung hin kontrolliert werden, durch gekennzeichnet, daß als Umschalter zu je- so muß ein anderer Kupferblock mit entsprechend dem Widerstand eine erste Schaltdiode (25) in veränderten thermischen Eigenschaften in das Über-Reihe liegt, die durch eine zweite Schaltdiode(24) 45 Iastschutzrelais eingesetzt werden.

gesteuert ist. Weiterhin ist ein Gerät bekanntgeworden, das mit

einer rein elektrischen Schaltungsanordnung die Erwärmung einer siromdurchflossenen Leitung überwacht (AEG-Mitt. 58 [1968], S. 372 bis 375). Der

50 Strom wird hierbei in einer Gleichrichlerschaltung

mit nachgeschaltetem Shunt in eine proportionale Spannung umgeformt. Diese Spannung wird in einer

„ Quadricrschaltung quadrierl und anschließend in Im-S pulse umgesetzt. Die Impulse laden einen nachgc-Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine 55 schalteten Kondensator eines /?C-GIiedes dabei der-Schaltungsanordnung zur Überwachung der Erwär- art, daß die Spannung am Kondensator ein Maß für mung von stromdurchflossenen Schützlingen, insbe- die Temperatur der siromdurchflossenen Leitung ist. sondere Leitungen und Kabeln, die den Leitungs- Dem Kondensator ist eine Schwcllwertstufe mit einstrom in eine proportionale Spannung umformt, die stellbarem Schwellwert nachgeschaltet. Erreicht die über ein Quadrierglied einen Spannungs-Frequenz" 60 Spannung am Kondensator den eingestellten Schwell-Umsetzer aussteuert, der über eine Stromquellen- Wert, d, h.* erreicht die Temperatur der zu überwaschaltung einen als Speicher dienenden Kondensator chenden stromdurchfiossenen Leitung ihren höciistauflädt, an den eine Schwellwcrtstufe angeschlossen zulässigen Wert, so gibt die Schwcllwertstufe ein Ausist. Signa!, wodurch der Leitungsstrom abgeschaltet wird. Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der an- 65 Aus der Offenlegungsschfift 15 13 152 ist ein aus schließend näher erläuterten DE-OS 15 13 152 be- einer elektronischen Schaltungsanordnung bestehen^ kannt. des Überstromzeitrelais bekanntgeworden, bei dem Die Erwärmung einer Von einem Strom / durchflos- die Verzögerung vom reziproken Wert des Überstro-