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Schutzschaltung für kapazitive Spannungswandler
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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.
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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.
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Weiterhin ist es bekannt, eine Dämpfung am Zwischentransformator durch
einen angeschlossenen spannungsabhängigen Widerstand zu erreichen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hierdurch konnte zwar die Stufenzahl der Teilbürden reduziert werden,
der hohe Aufwand konnte jedoch nicht herabgesetzt werden.
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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.
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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.
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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.
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Ferner ist es zweckmässig, dass die Vorschaltimpendanz ein rein ohmscher
Widerstand ist und gegebenefalls einen spannungsabhängigen Widerstand aufweist.
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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.
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Weitere Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den Ansprüchen
5 bis 11 beschrieben.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die erfindungsgemässe Schutzschaltung kann an allen kapazitiven Spannungswandlern
vorgesehen werden, unabhängig von der Art des kapazitiven Spannungsteiler 1,2 oder
des Hochspannungskondensators 1.
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Für den Spannungsteiler 1,2 oder den Hochspannungskondensator 1 können
beispielsweise Kopplungskondensatoren, Kabel, Durchführungen, Stromwandler, Sammelschienen
usw. verwendet werden.