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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abschalten elektrischer
Anlagen,
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vorzugsweise des Berg- und Tunnelbaus, beim Auftreten von Fehlern
in elektrischen, betriebsnäßig Funken erzeugenden und daher in ein druckfestes Gehäuse
eingesetzten Betriebsmitteln.
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Der Einbau solcher Betriebsmittel in ein druckfestes Gehäuse wird
auch als druckfeste Kapselung bezeichnet und findet im Steinkohlenbergbau inshesondere
in Grubenbauen Verwendung, die durch Grubengas gefährdet sind.
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Eine solche druckfeste Kapselung hat zwischen Gehäuse und Deckel einen
Spalt, der einerseits eine gewisse Belüftung des Gehäuseinneren ermöglicht, andererseits
aber die Ubertragung einer Explosion eingedrungener Schlagwetter auf die Umgebung
verhindert.
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Allerdings kann die Sicherheit der druckfesten Kapselung dann in Frage
gestellt sein, wenn im Inneren der druckfesten Kapselung elektrische Kurzschlußlichtbögen
auftreten. Dabei können heisse Gase und Metallpartikel aus dem Störlichtbogen einen
gegen Schlagwetterexplosianen sicheren Spalt passieren und außen anstehende Schlagwetter
zünden. Es handelt sich in diesem Falle um den sogenannten Partikelzünddurchschlag.
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Bilden sich Kriechströme auf Isolierstoffen, die aus organischen Materialien
hergestellt sind, dann kann es zum Verschwelen dieser Isolierstoffe kommen. Dabei
kann es zu so heftiger Schwelgasentwicklung kommen, daß die Gehäuse bersten.
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Außerdem besteht die Gefahr, daß die heissen Schwelgase den Spalt
passieren und sich außerhalb der druckfesten Kapselung bei Berührung mit dem Sauerstoff
der Luft entzünden.
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Schließlich besteht doch die Gefahr, daß der Störlichtbogen auf die
Gehäusewandung übertritt und dadurch diese Gehäusewandung durchgeschweißt werden
kann.
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Es gibt zwar die Möglichkeit, durch konstruktive Maßnahmen, beispielsweise
Ausbildung entsprechender r;ibyrinthe oder entsprechend sehr enger Spalte die druckfesten
Gehäuse zünddurchschlagsicher zu machen. Der hierfür erforderliche technische Aufwand
und die unumgängliche praktische Prüfung verursachen jedoch große Aufwendungen,
die man gerne vermeiden möchte Um die Gefahren zu vermeiden, die durch das Entstehen
von Schwelgasen auftreten, mußte die in den Gehäusen eingebaute Menge an verschwelbaren
Isolierstoffen stark herabgesetzt werden.
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Ein Durchschweißen der Gehäuse kämte man schließlich nur dadurch solange
verzögern, bis der Xurzschlußstran durch die üblichen Schutzeinrichtungen abgeschaltet
wird, daß man wesentlich dickwkndigere Gehäuse verwendet.
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Es wurden nun umfangreiche Versuche angestellt, um festzustellen,
bis zu welchem Zeitpunkt nach dem Beginn des Kurzschlußstromes die entsprechenden
Fehler auftreten.
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Partikelzünddurchschläge treten frühestens 40 bis 50 ms nach Beginn
des Kurzschlußstromes auf.
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Das Durchschweißen des Gehäuses nimmt etwa 0,1 bis 0,5 s in Anspruch.
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Bis ein Gehäuse durch Schwelgase birst, vergehen mehrere Sekunden.
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Aufgrund dieser Versuchsergebnisse konnte man alle geschilderten Störungen
an druckfesten Gehäusen dadurch vermeiden, wenn man einen im Gehäuse auftretenden
elektrischen Fehlerstrom innerhalb von 40 ms erfassen und abschalten konnte.
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Hierfür ist jedoch ein Verfahren erforderlich, das es ermöglicht,
Fehlerströme ausreichend schnell zu erfassen und einen Auslöseimpuls zu erzeugen.
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Außerdem sind Schaltgeräte erforderlich, die den Fehlerstrom ausreichend
schnell abzuschalten vermengen, wcbei die Gesamtzeit für Erfassung und Abschaltung
geringer als 40 ms sein nuß.
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In den relativ leistungsschwachen Netzen der Untertagebetriebe überschneiden
sich die Größenordnungen der Fehlerstrome und der maximalen Betriebsströme. Es ist
deshalb nicht möglich, allein aus dem Verlauf und der Größe des Stranges zu erkennen,
ob es sich um einen Fehlerstran oder beispielsweise um den Anlaufstrcm eines leistungsstarken
Motors handelt.
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Die Auslösung von schnell schaltenden Schaltgeräten über spezielle
Fühler, welche Temperatur-, Druck- oder Lichterscheinungen des Störlichtbogens erfassen
konnten, führt jedoch nicht zum Erfolg.
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Es zeigt sich nähmlich, daß eine Temperaturerfassung, selbst wenn
sie an der richtigen Stelle erfolgt, für diese Zwecke viel zu träge ist.
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Ein ausreichend schneller Druckanstieg als Folge des Störlichtbogens
entsteht nur in einem sehr kleinen Gehäuse bei hoher Kurzschlußstromstärke. In einem
großen Gehäuse von beispielsweise 800 1 Inhalt und bei einem Kurzschlußstrom von
2000 A dauert es beispielsweise ca. 0,2 s, bis ein Druck von etwa 2 Bar erreicht
ist.
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Man könnte zwar die Lichterscheinungen van Störlichtbögen über Photodetektoren
sehr schnell erfassen, jedoch besteht auch hier die Schwierigkeit, zwischen dem
Licht des Störlichtbogens und dem des normalen Schaltlichtbogens zu unterscheiden.
Außerdem rufen kleine Fehlerströme, die als Kriechströme an der Oberfläche von Isolierstrecken
fließen, keine erfaßbaren Lichterscheinungen hervor.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Einrichtung zum Abschalten
elektrischer Anlagen, vorzugsweise des Berg- und Tunnelbaus, beim Auftreten von
Fehlern in elektrischen, betriebsmäßig Funken erzeugenden und daher in ein druckfestes
Gehäuse eingesetzten Betriebsmitteln zu schaffen, mit der es möglich ist, innerhalb
ausreichend kurzer Zeit den Betriebsstran abzuschalten, wenn eine der eingangs angegebenen
Störungen auftritt.
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Diese Aufgabe läßt sich erfindungsgemäß dadurch lösen, daß den Eingangs-
und den Ausgangsleitungen des Betriebsmittel Stromwandler zugeordnet sind, deren
Ausgang an einen Vergleichstransformator gelegt ist, welcher bei fehlender Ubereinstimmung
zwischen Ein- und Ausgang des Betriebsmittels einen Impuls liefert, der als Abschaltinpuls
für die Anlage dient.
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Das Erfindungsprinzip beruht also auf dem Vergleich der in das Gehäuse
oder allgemeiner in den zu schützenden Bereich des elektrischen Netzes hineinfließenden
Strdme mit dem aus dem Gehäuse oder dergleichen herausfließenden Stromen. Ein Fehlerstran
kann nicht vorliegen, wenn in jedem Augenblick die in das Gehäuse oder dergleichen
hineinfließenden Stroms mit den ausfließenden Strömen übereinstimmen.
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Nach dem Erfindungsprinzip werden die Augenblickswerte der Ströme
am Eingang und am Ausgang des Schutzbereiches verglichen und nicht ett7a Mittelwerte,
zu deren Bildung eine Zeit von mindestens einer Periode erforderlich ist. Dadurch
kann im
Falle eines Fehlers in der kürzest möglichen Zeit ein Auslöseinpuis
erzeugt werden.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird der Impuls des Vergleichstransformators
über eine Gleichrichterbrückenschaltung in einen gleichgerichteten Spannungsimpuls
umgewandelt, der als Auslöseimpuls für ein Schaltgerät dient.
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Handelt es sich bei dem Betriebsmittel um ein gekapseltes Schaltschütz
für über es geschaltete Drehstrommotoren, dann wird in weiterer Ausbildung der Erfindung
zweckmäßig jeder Phase des Dreiphasen-Versorgungsnetzes vor und hinter dem Schaltschfltz
ein Stromwandler zugeordnet, wobei gegebenenfalls die hinter dem Schaltschütz vorgesehenen
Stromwandler unmittelbar vor dem Sternpunkt des Drehstrommotors angeordnet werden
kennen.
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Bei der Anwendung auf Reversierschütze sind auf der Ausgangsseite
des ReversierschUtzes die reversierten Phasen nach den Stromwandlern ausgekreuzt.
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Gegebenfalls kann das Schaltschütz über ein Hilfsschütz geschaltet
sein, das gleichzeitig den Sternpunkt der motorseitig gelegenen Stromwandlergruppe
schaltet.
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Das Erfindungsprinzip läßt sich auch auf eine Anlage mit einem t«
or im Reversierbetrieb und einem solchen im Geradeausbetrieb verwenden, wobei dann
die den Stromwandlergruppen vor und hinter dem Betriebsmittel kommenden Vergleichsstrdne
auf jeweils einen Gleichrichter aufgegeben werden, deren Ausgangsgleichspannungen
an einem Vergleichswiderstand liegen, dessen Ausgang über einen weiteren Gleichrichter
den Steuerinpuis liefert.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand der in den Zeichnungen wiedergegebenen
Schaltbilder für verschiedene Ausführungsformen näher erläutert werden. Die Zeichnungen
zeigen in Fig. 1 ein Schaltbild zur Wiedergabe des Erfindungsprinzips;
Fig.
2 eine gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 abgeänderte Ausführungsform; Fig.
3 ein Schaltbild zur Wiedergabe der Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips auf
den Reversierbetrieb; Fig. 4 ein Schaltbild zur Wiedergabe einer Anordnung mit Schaltung
des Mbtorschützes über ein Hilfsschütz; und in Fig. 5 ein Schaltbild für eine Anlage
mit einem Motor im Reversierbetrieb und einem Motor im Geradeausbetrieb.
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Nach Fig. 1 wird der Motor 1 über ein in einem druckfesten Gehäuse
2 untergebrachtes Schaltschütz aus einem Dreiphasen-Netz R, S, T gespeist. Das in
dem Gehäuse 2 untergebrachte Schaltschütz 3 soll erfindungsgemäß auf Fehlerstrrre
überelacht werden.
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Dazu sind in den strouzuführenden Leitungen die Stromwandler 4, 5,
6 und in den aus dem Schaltschütz 3 zum Motor 1 führenden Leitungen die Stromwandler
7, 8, 9 angeordnet. Diese Stromwandler 4 bis 9 erfassen die zu- und abfließenden
Stroms und führen sie in jeder Phase einem Vergleichstransformator 10 zu. Dieser
Vergleichstransformator gibt auch der Sekundärseite nur dann eine Spannung ab, wenn
die Ströme am Eingang und am Ausgang nicht übereinstimmen. Die Spannung, welche
die drei den Dreiphasen zugeordneten Vergleichs trans forma toren liefern, werden
in einer Dreiphasengleichrichterbrückenschaltung 11 zu einem gleichgerichteten Spannungsimpuls
I umgeformt. Dieser Spannungsimpuls dient als Auslöseimpuls für ein Schaltgerät.
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Beim wiedergegebenen Ausführungsbeispiel dient dieser Impuls zum Durchzünden
eines Thyristors 12, der in einen Kondensatorkreis 13 als elektronischer Schalter
eingefügt ist. Von diesem Kreis wird über ein Spulensystem 14 der Abschalter 15
betätigt.
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Die Schaltung nach Fig. 2 entspricht im wesentlichen derjenigen nach
Fig. 1, so daß für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Die Stromwandler
4a, 5a, 6a entsprechen den Stromwandlenn 4, 5, 6 nach Fig. 1, sind aber in der Nähe
des Abschalters 15 und nicht in der Nähe des Schaltschützes 3 angeordnet.
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Die Stomwandler 7a, 8a, 9a entsprechen den Stromwandlern 7, 8, 9,
sind aber in diesem Falle vor dem Sternpunkt 19 des schematisch bei 1 a angedeuteten
Motors mit seinen Wicklungen 16, 17, 18 angeordnet. Am Prinzip ändert sich durch
diese Schaltung nichts.
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Die Schaltung nach Fig. 3 zeigt die Anwendung des Prinzips bei Reversierschützen.
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Auch hier sind wieder für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet
und datrüber hinaus die einzelnen Stromwandler schematisch nur noch durch Kästchen
angedeutet. Sie haben deshalb, weil ihre Darstellung abweichend von derjeniaen nach
Fig. 1 und 2 ist, die Bezugszeichen 4b, 5b und 6b bzw. 7b, 8b und 9b erhalten. Das
Reversierschütz ist in Anlehnung an die Bezeichnung der Schaltschütze nach den Fig.
1 und 2 mit 3a bezeichnet und befindet sich ebenfalls wieder in einem druckfesten
Gehäuse. Mbn erkennt aus der Zeichnung deutlich, daß das Auskreuzen der reversierten
Phasen erst nach den Schutzwandlern durchgeführt ist und daß ß dadurch auf der Ausgangsseite
des druckfesten Gehäuses 2 fünf Durchführungen vorgesehen sein müssen.
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Prinzipiell unterscheidet sich diese Schaltung somit ebenfalls nicht
von derjenigen nach den Fig. 1 und 2.
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Mit den bisher wiedergegebenen Schaltungen ist es möglich, das eingangs
aufgezeigte Prcblem in vollem Umfange zu lösen und zwar immer dann, wenn zwischen
den Phasen ein Fehlstrom auftritt.
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Nun ist es aber auch denkbar, daß die Kontakte selbst verschweißen
oder ein unzulässig langer Lichtbogen auftritt. Dann würde das anhand der Beispiele
nach den Schaltungen 1 bis 3 dargelegte System nicht ansprechen, da ein Fehlerstrom
nicht vorliegt.
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Das Erfindungsprinzip läßt sich auch auf diesen Fall erweitern, was
anhand der Fig. 4 näher erläutert werden soll. Auch hier sind wieder die Teile mit
gleichen
Bezugszeichen bezeichnet, die auch in den Schaltungen
nach den Fig. 1 bis 3 auftreten. Die Stromwandler sind hier mit 4c, 5c und 6c sowie
7c, & und 9c angedeutet. Bei dem in Fig. 4 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel
wird das tbtorschütz 3b durch ein Hilfsschütz 16 geschaltet, das gleichzeitig den
Sternpunkt der motorseitig gelegenen Stranwandlergruppe 7c, 8c und 9c schaltet.
Beim Einschalten des Motorschützes 3b schaltet das Hilfsschütz 16 zuerst den Sternpunkt
der Stromwandlergruppe 7c, 8c und 9c und dann das Motorschütz 3b. Bei der Rbschaltung
muß das Hilfsschütz 16 um eine Zeitdauer, die der zulässigen Lichtbogenzeit des
Schaltschützes 3b entspricht, im Abfall verzögert werden. Ist nach Ablauf dieser
zulässigen Zeit der Motorstrom durch das Schaltschütz 3b nicht unterbrochen, so
wird jetzt durch das Abfallen des Jiilfsschützes 16 der Sternpunkt der motorseitigen
Stromwandler 7c, 8c und 9c unterbrochen, so daß die netzseitige Stromwandlergruppe
4c, 5c und 6c allein auf die Vergleichstransformatoren 10 einwirkt und dort entsprechende
Sekundärspannungen induziert, die im Gleichrichter 11 einen Auslöseirrpuls E erzeugen,
der den Leistungsschalter 15 zum Ausschalten veranlaßt.
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Bei der Schaltung nach Fig. 5 ist ein Nlotor im Reversierbetrieb und
ein nbtor la im Reversierbetrieb und ein rotor 1b im Ceradeausbetrieb vorgesehen.
Hier werden die von den Stroavandlern 4d, 5d und 6d bzw. 7d, 8d, 9d kommenden Ströme
einer Gleichrichterbrückenschaltung zugeführt, die aus den Gleichrichtern 17, 18
und einem Vergleichswiderstand 19 besteht, an dem die Spannungen von 17 und 18 verglichen,
anschließend bei 11 wieder gleichgerichtet und dann als Steuerimpuls in der Weise
weitergeleitet werden, wie es anhand der vorhergehenden Figuren bereits erläutert
worden ist.
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Für alle Schaltungen gilt, was als weiterer Vorteil des Erfindungsprinzips
zu werten ist, daß bei Bruch einer Leitung von den Stromwandlern zur Vergleichsstelle,
d.h. zum Vergleichstransformater oder zum Vergleichswiderstand die Schaltvorrichtung
anspricht.