DE2704112A1

DE2704112A1 - Schutzvorrichtung fuer kapazitive spannungswandler

Info

Publication number: DE2704112A1
Application number: DE19772704112
Authority: DE
Inventors: Georges-Albert Gertsch
Original assignee: Micafil AG
Current assignee: Micafil AG
Priority date: 1977-01-19
Filing date: 1977-02-01
Publication date: 1978-07-20
Also published as: CH604349A5

Description

Schutzschaltung für kapazitive Spannungswandler
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für kapazitive Spannungswandler, mit einem kapazitiven Spannungsteiler, einer Drosselspule, einem Zwischentransformator und einer vorzugsweise in mehrere Stufen aufgeteilten schaltbaren Dämpfungsbürde.
Es ist bekannt, einen festangeschlossenen Widerstand zur Dämpfung der Kippschwingungen und untersynchronen Schwingungen infolge Ferroresonanz des Wandlers zu verwenden. Dieser Widerstand belastet den kapazitiven Wandler, wodurch bestimmte Elemente, insbesondere die Drosselspule im Mittelspannungskreis und der Mittelspannungskondensator, höher belastet werden und grössere Messfehler infolge Frequenz schwankungen und ausgedehntere Ausgleichsvorgänge anlässlich eines Spannungszusauenbruchs an den primärseitigen Klemmen des kapazitiven Spannungswandlers entstehen.
Weiterhin ist es bekannt, eine Dämpfung am Zwischentransformator durch einen angeschlossenen spannungsabhängigen Widerstand zu erreichen.
Mine derartige Schutzschaltung ist jedoch nur schwer zu dimensionieren, um die Ferroresonanzschwingungen mit Sicherheit zu dämpfen, ohne bei netzfrequenten Überspannungen eine thermische Zerstörung zu verursachen.
Es ist ferner üblich, eine in mehrere Teilbürden aufgeteilte schaltbare Dämpfungsbürde zur Dämpfung der Kippschwingungen und untersynchronen Schwingungen infolge Sättigung des Eisenkerns des Wandlers zu verwenden. Eine derartige Schaltungsanordnung für kapazitive Spannungswandler, bei der zum Schutz gegen Kippschwingungen ein Belastungswiderstand zeitweise eingeschaltet wird, ist gemäss DT-OS 14 16 590 bekannt.
Ein Nachteil besteht hierbei darin, dass zur Erzielung guter Ausgleichsvorgänge, beispielsweise beim Einschalten des kapazitiven Wandlers, eine relativ grosse Anzahl von Stufen mit kleinen Ditapfungsleistungen verwendet werden muea, welche nacheinander in kleinen Zeitabständen ausgeschaltet werden müssen, damit ein Wiederanstossen der störenden Schwingungen durch das Ausschalten der Dämpfungsbürde vermieden wird. Dadurch erfordert diese Lösung einen hohen Aufwand.
Um die erwähnten Nachteile einer grossen Stufenzahl zu beheben, wurde gemäss DT-AS 23 10 824 bereits vorgeschlagen, als letzte Stufe der schaltbaren Dämpfungsbürde einen auf Netzfrequenz abgestimmten Parallelschwingkreis mit seriegeschaltetem Widerstand zu verwenden.
Hierdurch konnte zwar die Stufenzahl der Teilbürden reduziert werden, der hohe Aufwand konnte jedoch nicht herabgesetzt werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schutzschaltung zu schaffen, welche die Nachteile des Bekannten nicht aufweist, insbesondere soll ein verläesliches Arbeiten mit möglichst sanftem Ausschalten der einstufigen, sowie eine wirtschaftlicher Ausführung der mehrstufigen Schutzschaltungen zur Dämpfung der Kippschwingungen und untersynchronen Schwingungen infolge Ferroresonanz des Wandlers gewährleistet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens eine Stufe der mittels eines Schaltelementes schaltbaren Dämpfungsbürde aus mindestens einem temperaturabhängigen PTC-Widerstand mit positivem Temperatur-Koeffizienten und einer vorgeschalteten Impendanz besteht und dass Mittel, vorzugsweise Vierpole vorgesehen eind, welche Jeweils die Dämpfungsbürden mindestens solange eingeschaltet halten, bis der jeweilige PTC-Widerstand infolge Erwärmung durch eigene ohmsche Verluste einen vorgegebenen Wert erreicht.
Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass die Verwendung des temperaturabhängigen Widerstandes mit positivem Temperatur-Koeffizienten, eines sogenannten PTC-Widerstandes, mit einer vorgeschalteten Impendanz zu vernachlässigbaren Ausgleichsvorgängen führt und eine sehr wirtschaftliche Lösung darstellt, die gleichzeitig alle vorher aufgezählten Nachteile vermeidet. Beim Einschalten des Wandlers ist der PTC-Widerstand kalt und weist einen niedrigen Widerstandswert und daher eine grosse Dämpfungsbürde auf. Nach einer gewissen Zeit erreicht der Widerstand seine sogenannte Schalttemperatur und wird somit stark hochohmig. Die dadurch verursachte Belastung des Wandlers im Zeitpunkt des Ausschaltens der Dämpfungsbürde ist dann in der Grössenordnung von nur einigen Watt sehr klein, so dass dieser Schaltvorgang nur vernachlässigbare Ausgleichsvorgänge verursachen kann.
Ferner ist es zweckmässig, dass die Vorschaltimpendanz ein rein ohmscher Widerstand ist und gegebenefalls einen spannungsabhängigen Widerstand aufweist.
Es empfiehlt sich, dass zur Haltung der Dämpfungsbürde im eingeschalteten Zustand ein'Zeitglied angeordnet ist, das beispielsweise so bemessen ist, dass die Dämpfungsbürde jeweils mehr als eine Sekunde geschaltet ist.
Weitere Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den Ansprüchen 5 bis 11 beschrieben.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt Fig.1 einen zum Stand der Technik zu zählenden kapazitiven Spannungswandler mit einer schaltbaren Dämpfungsbürde 8 Fig. 2 eine erfindungsgemässe Schutzschaltung des kapazitiven Spannungswandlers; Fig. 3 bis Fig. 7 erfindungsgemässe Abwandlungen der Schutzschaltung gemäss Fig.2 Fig. 8 eine weitere Abwandlung der Schutzschaltung gemäss Fig.4 welche in zwei Dämpfungsstufen aufgeteilt ist.
Die Betriebsweise der Erfindung sei anhand von Fig.1 bis Fig.8 in 7 Anwendungsbeispielen näher erläutert: In dem zum Stand der Technik zu zählenden kapazitiven Spannungswandler gemäss Fig.1 mit der Schutzschaltung zur Dämpfung der Kipp- und untersynchronen Schwingungen infolge Ferroresonans besteht aus einem kapazitiven Spannungsteiler 1,2 , einer Drosselspule 3, einem Zwischentransformator 4 mit einer Primärwicklung 5 und Sekundärwicklungen 6 und 7, sowie aus einer mittels eines Schaltelementes 9, vorzugsweise eines Triacs, schaltbaren Dämpfungsbürde 8 . Die schaltbare Dämpfungsbürde 8 kann wahlweise an die Sekundärwicklung, an die Primärwicklung oder an eine Anzapfung derselben, oder an eine Tertiärwicklung zugeschaltet werden.
Beispiel 1 (sieh Fig.2) Ein kapazitiver Spannungswandler gemäss Fig.1, bei dem die erfindungsgemässe Schutzschaltung einen temperaturabhängigen PTC-Widerstand 11 mit positivem Temperatur-Koeffizienten +to aufweist, welcher in Reihe mit einer Vorschaltimpendanz 10 liegt und welche zusammen eine Dämpfungsbürde 10/11 bilden.
Diese Vorschaltimpendanz 10 bringt den Vorteil, dass die Schaltzeit, bis der PTC-Widerstand 11 heiss wird und damit seinen Widerstandswert ändert, den gegebenen Verhältnissen angepasst werden kann. Er wirkt ausserdem als Schutz des PTC-Widerstandes 11 und erhöht somit auch die Betriebssicherheit des kapazitiven Spannungswandlers. Ausserdem ist ein Zeitglied 12 vorgesehen, welches die Dämpfungsbürde 10/11 mindestens solange eingeschaltet hält, bis der PTC-Widerstand 11 aufgeheizt ist. Der abgeschaltete aufgeheizte PTC-Widerstand 11 kann sich in vorteilhafter Weise während des normalen Betriebes des kapazitiven Spannungswandlers abkühlen, wodurch er nach Abschalten oder bei Änderung des Betriebszustandes des Wandlers sofort wieder betriebsbereit ist.
Beispiel 2 (siehe Fig. 3) Fig.3 zeigt eine Schutzschaltung gemäss Fig.2, wo anstelle des Zeitgliedes ein Vierpol 14 zur Auswertung des Widerstandsstromes verwendet wird. Der Widerstandsstrom des PTC-Widerstandes 11 wird in dem Vierpol 14 ausgewertet, wobei das Schaltelement 9 die Dämpfungsbürde 10/11 bis zum Absinken des Widerstandsstromes unter einen vorgegebenen Schwellenwert eingeschaltet hält.
Beispiel 3 (siehe Fig. 4) Es handelt sich wiederum um eine Schutzschaltung gemäss Fig.2, bei welcher anstelle des Zeitgliede das Vierpol 14 angeordnet ist und die Auswertung des Spannungsabfalls an der Vorschaltimpendanz 10 vorgenommen wird, wobei das Schaltelement 9 die Dämpfungsbürde 10/11 bis zum Absinken des Spannungsabfalles unter einen vorgegebenen Schwellenwert eingeschaltet hält.
Beispiel 4 (siehe Fig.5) In der Schutzschaltung wird wiederum von der Fig. 2 ausgegangen, in welcher anstelle des Zeitgliedes das Vierpol 14 zur Auswertung des Spannungsabfalles am PTC-Widerstand 11 verwendet wird, wobei das Schaltelement 9 die Dämpfungsbürde 10/11 bis zum Ansteigen des Spannungsabfalles über einen vorgegebenen Schwellenwert eingeschaltet hält.
Beispiel 5 (siehe Fig. 6) Ausgehend vom Beispiel 4 wird in dem Vierpol 14 die Differenzspannung zwischen der Sekundärspannung und dem Spannungsabfall an der Reihenschaltung des Schaltelementes 9 und des PTC- Widerstandes 11 ausgewertet, wobei das Schaltelement 9 die Dämpfungsbürde 10/11 bis zum Absinken der Differenzspannung unter einen vorgegebenen Schwellenwert eingeschaltet hält.
Beispiel 6 (siehe Fig. 7) In der Schutzschaltung gemäss Fig.2 ist anstelle des Zeitgliedes am PTC-Widerstand 11 zur Temperaturmessung ein Fühler 13 eo angebracht, dass mittels des Schaltelementes 9 die Dämpfungsbürde 10/11 bis zur Erreichung der Temperatur des PTC-Widerstandes 11 auf einen vorgegebenen Schwellenwert eingeschaltet ist.
Beispiel 7 (siehe Fig. 8) In Fig. 8 ist eine weitere Abwandlung der erfindungsgemässen Schutzschaltung gemäss Fig.4 dargestellt, welche beispielsweise zwei Dämpfungsstufen enthält, wobei die erste Dämpfungsstufe aus dem PTC-Widerstand 11', der Vorschaltimpendanz 10' , dem Schaltelement 9' und dem Vierpol 14' besteht. Die zweite Dämpfungsbürde besteht aus dem PTC-Widerstand 11" , der Vorschaltimpendanz 10" , dem Schaltelement 9" und dem Vierpol 14", welche analog zur Schutzschaltung gemäss Beispiel 3 arbeitet.
Ein weiterer Vierpol 15 wertet den Spannungsabfall der Vorschaltimpendanz 10" der zweiten Dämpfungsstufe so aus, dass das Schaltelement 9' der ersten Dämpfungsstufe sofort oder nach einer im voraus bestimmten Verzögerung öffnet, sobald der Spannungsabfall im Zeitpunkt des Einschaltens der Dämpfungsbürde 10/11 n über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Falls dieser Spannungsabfall an der Vorschaltimpendanz 10" dagegen unter dem vorher erwähnten, vorbestimmten Schwellenwert liegt, hat der Vierpol 15 keinen Einfluss mehr auf das Schaltelement 9' und der Vierpol 14' wertet den Spannungsabfall an der Vorschaltimpendanz 10', ähnlich wie der Vierpol 14" aus, d.h. dass das Schaltelement 9' die Dämpfungsbürde 10'/11' bis zum Absinken des Spannungsabfalles unter einen vorgegebenen Schwellenwert eingeschaltet hält. Die Verwendung von PTC-Widerständen 11', 11" in zwei Dämpfungsstufen mit Blockierung einer Stufe (beispielsweise gemäss Fig.8 der ersten Stufe), wenn der PTC-Widerstand 11' oder 11" der anderen Stufe noch nicht aufgeheizt ist (beispielsweise gemäss Fig.8 - 11"), ist von Vorteil, denn in diesem Fall können zwei Dämpfungsvorgänge kurz nacheinander sicher bedämpft werden, wodurch wiederum die Betriebssicherheit des Wandlers erhöht wird. Dabei kann beispielsweise die blockierte Stufe auch kurzzeitig freigegeben werden, um so als normale Dämpfungsstufe zu dienen, und nur das Aufheizen des PTC-Widerstandes zu verhindern. Zum sofortigen Abschalten der Stufe oder um das Aufheizen des PTC-Widerstandes 11' zu verhindern, kann - wie bereits erwähnt - die Temperatur, der Widerstandsstrom oder der Spannungsabfall des anderen PTC-Widerstandes 11", der Spannungsabfall an der Vorschaltimpendanz 10" oder die Differenzepannung zwischen der Sekundärspannung und dem Spannungsabfall an der Reihenschaltung des Schaltelementes 9" und der Vorschaltimpendans 10" in bekannter Weise angewendet werden.
Die Erfindung ist auf das in der Zeichnung Dargestellte selbstverständlich nicht beschränkt. So könnte anstelle der schaltbaren Dämpfungsbürde ein temperaturabhängiger PTC-Widerstand mit vorgeschalteter Impendanz als feste, d.h. nicht schaltbare Dämpfungsbürde, verwendet werden. Ebenfalls können beliebige Kombinationen, wie beispielsweise Zeitglied 12 und Vierpole 14, 15 in vorteilhafter Weise zur Anwendung kommen.
Die erfindungsgemässe Schutzschaltung kann an allen kapazitiven Spannungswandlern vorgesehen werden, unabhängig von der Art des kapazitiven Spannungsteiler 1,2 oder des Hochspannungskondensators 1.
Für den Spannungsteiler 1,2 oder den Hochspannungskondensator 1 können beispielsweise Kopplungskondensatoren, Kabel, Durchführungen, Stromwandler, Sammelschienen usw. verwendet werden.

Claims

Patentansprüche 5 Schutzschaltung für kapazitive Spannungswandler, mit einem kapazitiven Spannungsteiler, einer Drosselspule, einem Zwischentransformator und einer vorzugsweise in mehrere Stufen aufgeteilten schaltbaren Dämpfungsbürde, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , dass mindestens eine Stufe der mittels eines Schaltelementes (9) schaltbaren Dämpfungsbürde aus mindestens einem temperaturabhängigen PTC-Widerstand (11) mit positivem Temperatur-Koeffizienten (+wo) und einer vorgeschalteten Impendanz (10) besteht und dass Mittel, vorzugsweise Vierpole (14, 15) vorgesehen sind, welche Jeweils die Dämpfungsbürden (10/11, ...) mindestens solange eingeschaltet halten, bis der Jeweilige PTC-Widerstand (11) infolge Erwärmung durch eigene ohmsche Verluste einen vorgegebenen Wert erreicht.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschaltimpendanz (10) ein rein ohmscher Widerstand ist.
3. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschaltimpendanz (10) in bekannter Weise einen spannungsabhängigen Widerstand aufweist.
4. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Haltung der Dämpfungsbürde (10/11) im eingeschalteten Zustand ein Zeitglied (12) angeordnet ist.
5. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadu&ii4 gekennzeichnet, dass zur Auswertung des Widerstandsstromes ein Vierpol (14) angeordnet ist, und dass über den Vierpol (14)zusammen mit dem Schaltelement (9) die Dämpfungsbürde(10/11) bis zum Absinken des Widerstandsstromes unter einen vorgegebenen Schwellenwert eingeschaltet bleibt.
6. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dasa zur Auswertung des Spannungsabfalles an der Vorschaltimpendanz (10) der Vierpol (14) so angeordnet ist, dass durch diesen mit dem Schaltelement (9) die Dämpfungsbürde(iO/ii) bis zum Absinken des Apsnnungsabfalles unter einen vorgegebenen Schwellenwert eingeschaltet ist.
7. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung des Spannungsabfalles an dem PTC-Widerstand (11) der Vierpol (14) so angeordnet ist, dass durch diesen mit dem Schaltelement (9) die Dämpfungsbürde (10/11) bis zum Ansteigen des Spannungsabfalles über einen vorgegebenen Schwellenwert eingeschaltet ist.
8. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung der Differenzspannung zwischen der Sekundärspannung und dem Spannungsabfall an der Reihenschaltung des Schaltelementes (9) und des PTC-Widerstandes (11) der Vierpol (14) so angeordnet ist, dass durch diesen mit dem Schaltelement (9) die Dämpfungsbürde (10/11) bis zum Absinken der Differenzspannung unter einen vorgegebenen Schwellenwert eingeschaltet ist.
9. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am PTC-Widerstand (11) zur Temperaturmessung ein Fühler (13) so angebracht ist, dass mittels des Schaltelementes (9) die Dämpfungsbürde (10/11) bis zur Erreichung der Temperatur des PTC-Widerstandes (11) auf einen vorgegebenen Schwellenwert eingeschaltet ist.
10. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Stufen der mehrteiligen Dämpfungsbürde aus mindestens je einem temperaturabhängigen PTC-Widerstand (11', 11") und je einer Vorschaltimpendanz (10', 10") bestehen und das Mittel, vorzugsweise Vierpole (14', 14") vorgesehen sind, durch welche die Dämpfungsbürden (10'/11', 10n/11") bis zum Erreichen des vorgegebenen Wertes durch ohmsche Eigenverluste des jeweiligen PTC-Widerstandes eingeschalt sind.
11. Schutzschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung der temperaturbedingten Änderung der PTC-Widerstände (11', 11", ...) und zur gegenseitigen Steuerung der Dämpfungsbürden (10'/11', 10"/11", ...) der einzelnen Stufen mindestens ein zusätzlicher Vierpol (15) angeordnet ist.