DE2918423A1 - Geraet zum abtasten von kurzschlussfehlern in wechselstrom-versorgungsleitungen - Google Patents

Description

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION, London, England

Gerät zum Abtasten von KurzSchlußfehlern in Wechselstrom-Versorgungsleitungen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Abtasten von KurzSchlußfehlern in Wechselstrom-Versorgungsleitungen und betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich den Schutz von Wechselstromnetzen oder Wechselstromversorgungseinrichtungen, die zum Speisen dreiphasiger Kurzschlußläufermotoren dienen, die bereits beim Starten direkt mit dem Netz verbunden sind.

Die Erfindung resultiert aus der Betrachtung eines besonderen Problems, das beim Starten von direkt mit dem Speisenetz verbundenen Induktions- oder Asynchronmotoren mit Käfigläufern in Kohlebergwerken auftritt, aber auch auf andere Anwendungsgebiete verallgemeinert werden kann.

Das oben angesprochene besondere Problem besteht darin, daß man ein Dreiphasennetz gegenüber Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Phasenleitungen oder zwischen einem Nullpunkt und den Phasenleitungen in geeigneter Weise schützen muß und daß die getroffenen Schutzmaßnahmen gleichzeitig die Möglichkeit eröffnen müssen, von dem Dreiphasennetz gespeiste dreiphasige Kurzschlußläufermotoren auch bei direkter Verbindung mit den Leitungen des Netzes starten zu können. Diese Forderung ist schwierig zu realisieren, da der beim Starten des Motors in jeder Netzleitung gezogene Strom ein Vielfaches des Stromes ist, den der unter Vollastbedingungen laufende Motor benötigt. Bei einem solchen Direktstart des Motors tritt beispielsweise die vier- bis zehnfache Stromamplitude auf. Folglich kann man den Schutz des Speisenetzes gegenüber Kurzschlußfehlern nicht ausschließlich auf das Abtasten oder Abfühlen der auftretenden Stromamplitude gründen.

909848/Q8?6

Bei Kurzschlußfehlern können nämlich Ströme auftreten, die kleiner als der Motorstartstrom sind. Ein herkömmlicher Motorüberlastungsschutz spricht zwar auf Kurzschlußströme in diesem unteren Bereich an, ist jedoch mit einer so großen Verzögerungszeit verbunden, daß der Kurzschluß zu Schaden am Netz und möglicherweise auch am Motor führen kann.

Dreiphasige Kurzschlußläufermotoren, die im Bergbau eingesetzt werden, sind auch beim Anfahren oder Starten direkt mit den Speiseleitungen verbunden, da diese Art des Motorstarts in der explosionsgefährdeten Umgebung am einfachsten, sichersten und zweckmäßigsten ist. Es besteht jedoch fortlaufend die Gefahr, daß die Netzleitungen versehentlich beschädigt oder durchgeschnitten werden. Das damit verbundene Risiko des durch einen elektrischen Lichtbogen verursachten Auftretens eines Feuers oder einer Explosion sollte so klein wie möglich und ggf. vollständig vermieden werden. Es besteht daher ein Bedürfnis nach Einrichtungen oder Geräten, die ein Dreiphasennetz von irgendeinem Kurzschlußfehler an den Netzleitungen trennen.

Ein Gerät zum Abtasten von Kurzschlußfehlern in Wechselstrom-Versorgungsleitungen ist nach der Erfindung gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Abfühlen des Leitungsstromes in einer Wechselstrom-Versorgungsleitung und zum Erzeugen von Signalen, die die Amplitude und Phase des beim Betrieb fließenden abgefühlten Leitungsstromes darstellen, Einrichtungen zum Abfühlen der zwischen den Leitungen auftretenden, verketteten Spannung oder der zwischen der Leitung und dem Nullpunkt auftretenden Phasenspannung der Versorgungsleitung und zum Erzeugen eines Signals, das die Phase der verketteten Spannung oder der Phasenspannung darstellt, Differenzeinrichtungen, die so angeschlossen und ausgebildet sind, daß sie die Signale empfangen, die die Phase des abgefühlten Stromes und die Phase der abgefühlten Spannung darstellen, und aufgrunddessen ein Signal mit einem Maß erzeugen, das sich im wesent-

90984 6/0826

lichen direkt mit der Differenz zwischen diesen Phasen ändert, und Einrichtungen, die eine Beziehung aus dem die abgefühlte Stromamplitude darstellenden Signal und- dem von den Differenzeinrichtungen erzeugten Signal mit einer vorbestimmten Amplituden-Phasendifferenz-Beziehung vergleichen und aufgrund dessen ein Ausgangssignal erzeugen, das angibt, ob die abgefühlte Stromamplitude größer als die durch die vorbestimmte Beziehung für diese Differenz zwischen den genannten Phasen bestimmte entsprechende Amplitude .'·'" ist oder nicht. Vorzugsweise enthält das Gerät noch Einrichtungen zum Unterbrechen oder Trennen wenigstens der genannten Versorgungsleitung in Abhängigkeit von dem" genannten Ausgangssignal, das dafür repräsentativ ist, ob die abgefühlte Stromamplitude größer als die genannte entsprechende Amplitude ist, wobei diese Unterbrechungs- oder Trenneinrichtungen an die Vergleichseinrichtungen angeschlossen sind, um das genannte Ausgangssignal zu empfangen.

Zum Schütze eines Dreiphasennetzes ist nach der Erfindung ein Gerät gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Abfühlen Jedes Leitungsstromes in den drei Phasenleitungen und zum Erzeugen von Signalen, die die Amplituden und Phasen der beim Betrieb fließenden abgefühlten Leitungsströme darstellen, Einrichtungen zum Abfühlen der verketteten Spannungen oder der Phasenspannungen der Versorgungsleitungen und zum Erzeugen von Signalen, die die Phasen der verketteten Spannungen oder der Phasenspannungen darstellen, Differenzeinrichtungen, die zum Empfangen der die Phasen darstellenden Signale angeschlossen sind und die so ausgebildet sind, daß sie in Abhängigkeit von den empfangenen Signalen drei Signale erzeugen, von denen jedes ein Maß aufweist, das sich im wesentlichen direkt mit der Differenz in der Phase zwischen dem Leitungsstrom und der verketteten Spannung oder der Phasenspannung von einer zugeordneten der drei Phasenleitungen verändert, Einrichtungen, die für 3ede Phasenleitung eine Beziehung aus dem betreffenden Signal der Signale, die die abge-

- '. - -90 9848/08 2 6

fühlten Stromamplituden darstellen, und dem betreffenden Signal der Signale, die die Differenzeinrichtungen erzeugen, mit einer vorbestimmten Amplituden-Phasendifferenz-Beziehung vergleichen und aufgrund dessen ein Ausgangssignal erzeugen, das angibt, ob irgendeine oder mehrere der abgefühlten Stromamplituden größer als die durch die vorbestimmte Beziehung für die betreffende Differenz in der Phase zwischen dem betreffenden Leitungsstrom und der betreffenden verketteten Spannung oder Phasenspannung bestimmte entsprechende Amplitude ist oder nicht, und Einrichtungen zum Unterbrechen oder Trennen der drei Versorgungsleitungen in Abhängigkeit von dem genannten Ausgangssignal, das angibt, ob eine oder mehrere der abgefühlten Stromamplituden größer als die genannte entsprechende Amplitude ist, wobei die Unterbrechungs- oder Trenneinrichtungen an die Vergleichseinrichtungen angeschlossen sind, um das genannte Ausgangssignal zu empfangen.

Bei einem für drei Phasen gedachten Ausführungsbeispiel^der Erfindung, mit dem ein Dreiphasennetz geschützt werden soll, das einen dreiphasigen Kurzschlußläufermotor speist, der beim Starten direkt mit den Netzleitungen verbunden isty hat die vorbestimmte Beziehung für jede Phase die folgende Form:

- Sr * ^mK Φ -

Sr

i5

Dabei ist I_L die Amplitude des betreffenden Leitungs stromes in Ampere,

m eine dimensionslose Konstante,

K eine weitere Konstante mit der Einheit Volt pro Grad,

R„ ein Bürdenwiderstand in Ohm,

η ein dimensionsloses Verhältnis eines Stromwandlers, d.h. das Verhältnis der Sekundärwindungen zu den Primärwindungen,

909846/0826

<£ die Phasendifferenz zwischen der betreffenden Phasenspannung und dem betreffenden Leitungsstrom gemessen in Grad und

Φ_ eine Phasenkonstante gemessen in Grad.

Vorzugsweise handelt es sich bei den die Phase darstellenden Signalen um Rechteckschwingungen. Die Differenz in der Phase kann dann mit Hilfe von Logikschaltungen in den Differenzeinrichtungen festgestellt werden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, bei der die Signale, die die Phasen darstellen, Rechteckschwingungen sind und die Differenz in der Phase durch Verwendung von Logikschaltungen in den Differenzeinrichtungen erfaßt wird, werden Logiksignale in Form von Spannungssignalen erzeugt, deren über eine Periode gemittelte algebraische Summe sich direkt mit der Phasendifferenz ändert. Die Differenzeinrichtungen enthalten weiterhin bei dieser Weiterbildung eine Vielzahl von Summierwiderständen, die gemeinsam mit einem Eingangsanschluß eines in den Vergleichseinrichtungen enthaltenen Operationsverstärkers verbunden sind. Das von den Differenzeinrichtungen erzeugte und den Vergleichseinrichtungen zugeführte Signal ist daher ein Stromsignal, dessen über eine Periode gemittelter Betrag sich im wesentlichen direkt mit der Phasendifferenz ändert. Bei dem Operationsverstärker handelt es sich vorzugsweise um einen Differential- oder Differenzenverstärker, der an seinem umkehrenden Eingang dieses Stromsignal empfängt und an seinem nicht umkehrenden Eingang ein Referenzsignal empfängt, das gemäß der genannten vorbestimmten Beziehung ausgewählt ist.

Vorzugsweise sind auch in Verbindung mit Unterbrechungs- oder Trenneinrichtungen eine Hochstrom- oder Überstrom-Übersteuerungsanordnung vorhanden, die schneller als die Vergleichseinrichtungen auf die Unterbrechungseinrichtungen einwirkt, wenn die Amplitude des abgetasteten Lei-

909846/0828

tungsstroms größer als die Amplitude des Motorstartstroms ist.

Im installierten Zustand befinden sich die bei einem erfindungsgemäßen Gerät ggf. vorhandenen Unterbrechungseinrichtungen an einer solchen Stelle, daß sie die Versorgungsleitung oder die Versorgungsleitungen zwischen dem Netz und den Abfühleinrichtungen unterbrechen können, d.h. vor den Abf ühleinrichtungen.

Nach der Erfindung wird somit ein Gerät zum Abtasten von Kurzschlußfehlern in Wechselstrom-Versorgungsleitungen geschaffen. Ein Stromwandler fühlt in einer Wechselstrom-Versorgungsleitung den Leitungsstrom ab. Die Sekundärwicklung des Stromwandlers arbeitet mit einem Bürdenwiderstand und mit weiteren Widerständen sowie einem Transistor zusammen, um Signale zu erzeugen, die die Amplitude und die Phase des beim Betrieb fließenden Leitungsstromes darstellen. Eine Infrarotlicht emittierende Diode dient zum Abfühlen der verketteten Spannung oder der Phasenspannung der betreffenden Versorgungsleitung und arbeitet mit einem Fototransistor zusammen, um ein Signal zu erzeugen, das die Phase der verketteten Spannung oder der Phasen spannung darstellt. Die .Signale, die die Stromphase und Spannungsphase darstellen, werden einer Logikgattereinrichtung zugeführt, die in Abhängigkeit von den ihr zugeführten Signalen ein Signal mit einem Maß angibt, das sich im wesentlichen direkt mit der Differenz zwischen den genannten Phasen ändert. Ein Operationsverstärker vergleicht eine Beziehung aus dem die Stromamplitude darstellenden Signal und dem von der Logikgattereinrichtung erzeugten Signal mit einer vorbestimmten Amplituden-Phasendifferenz-Beziehung und erzeugt aufgrund dieses Vergleiches ein Ausgangssignal, das angibt, ob die abgefühlte Stromamplitude größer als eine entsprechend zugeordnete Amplitude ist, die sich aus der vorbestimmten Beziehung für die genannte Differenz zwischen den genannten Phasen er-

909846/0826

-is- ■■ ■'

gibt. Das erfindungsgemäße Gerät eignet sich insbesondere zur Verwendung in Verbindung mit Dreiphasennetzen, die in einer explosionsgefährdeten Umgebung, beispielsweise in Kohlebergwerken, direkt anfahrende Kurzschlußläufermotoren speisen.

Im folgenden wird die Erfindung beispielshalber an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild mit den zu einem Dreiphasenstator eines Asynchronmotors führenden Netzverbindungen,

F i g . 2 ein Blockschaltbild eines Teils eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, .

F i g . 3 eine grafische Darstellung einer Spannung in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz,

F i g , 4 eine grafische Darstellung einer Leitungsstromkennlinie eines Asynchronmotors,

F i g . 5 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 6 eine grafische Darstellung mit Signalverläufen, die während des Betriebs des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 5 auftreten,

F i g . 7 eine grafische Darstellung weiterer Signalverläufe, die zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 5 dienen,

F i g . 8 eine grafische Darstellung einer Spannung in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Teils des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 5,

909846/0 8 ? S

F i g . 9 ein Schaltbild einer Prüfschaltung für das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5,

Fig. 10 eine grafische Darstellung von Signalen, die die Prüfschaltung nach der Fig. 9 beim direkten Starten eines dreiphasigen Asynchronmotors liefert,

Fig . 11 eine grafische Darstellung von Signalen, die die Prüfschaltung nach der Fig. 9 beim Auftreten eines zweiphasigen Kurzschlußfehlers liefert, wenn der Motor läuft, ·

Fig . 12 und 13 grafische Darstellungen, die der Darstellung nach der Fig. 11 ähnlich sind,

F i g . 14 eine grafische Darstellung von Signalen, die die Prüfschaltung nach der Fig. 9 während des Auftretens eines zweiphasigen Kurzschlußfehlers liefert, wenn der Motor nicht angeschlossen ist, und

Fig. 15 (a), (b) und (c) zwei Schaltbilder mit abgewandelten Teilen des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 5 und eine grafische Darstellung einer bei den abgewandelten Teilen auftretenden Spannung.

In der folgenden Beschreibung wird unter einem dreiphasigen Induktions- oder Asynchronmotor stets ein dreiphasiger Käfigläufer- oder Kurzschlußläufermotor verstanden.

3848/082S

In der Fig. 1 sind schematisch die Verbindungen zwischen einem elektrischen Dreiphasennetz 10 und den Statorwicklungen 11 eines Dreiphasenasynchronmotors dargestellt, der mit einem Anlaßschalter angefahren bzw. unter direkter Verbindung mit dem Netz gestartet wird. Die dreiphasigen Verbindungen umfassen eine Gruppe von Leistungsschalterkontakten X, die geschlossen sind, wenn der Motor läuft.

Beim Normalbetrieb liegen zwischen den drei Phasenleitungen, bei denen es sich um die rote, gelbe und blaue Phase handelt, und einem Nullpunkt drei gleiche Phasenspannungen mit Amplituden V_R, Vy und Vg. Diese Spannungen V_R, Vy und Vg sind in der Fig. 1 als zwischen den drei Phasenleitungen und dem Nullpunkt N liegend dargestellt.

Den drei Phasenspannungen entsprechen drei Phasenoder Leitungsströme mit Amplituden I_R, Iy und Ig, die durch die einzelnen Phasenleitungen fließen. Diese drei Ströme haben bei normalen Bedingungen die gleiche Amplitude.

Wenn jedoch eine Störung oder ein Fehler auftritt, bei der die Trennung zwischen zwei der Phasenleitungen mehr oder weniger unwirksam wird, fließt zwischen diesen beiden Phasenleitungen ein Fehlerstrom, beispielsweise ein Strom Ip, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Die Leitungsströme dieser beiden Phasenleitungen nehmen höhere Werte an, da sie zusätzlich zu den Statorströmen den Fehlerstrom führen. Das Vorhandensein des Fehlers ändert die Impedanz zwischen den beiden Leitungen, die vom Fehler erfaßt sind, so daß der Phasenwinkel zwischen den betreffenden Leitungsströmen und den betreffenden Phasenspannungen von jeder dieser beiden Leitungen gegenüber dem unter Normalbedingungen, d.h. bei nicht vorhandener Störung, herrschenden Phasenwinkel herabgesetzt ist. Das Vorhandensein eines Fehlers oder einer Störung führt somit zu einer Erhöhung der Amplituden der Leitungsströme und zu einer Verminderung des Phasenwinkels

909846/0826

zwischen diesen Leitungsströmen und den betreffenden Phasenspannungen·

Die Phasenwinkelbeziehung zwischen einem Leitungsstrom und der zugeordneten Phasenspannung kann man dadurch erhalten, daß man zunächst zwei Signale erzeugt, von denen das eine den Leitungsstrom darstellt und das andere die entsprechende Phasenspannung darstellt. Diese beiden Signale werden dann einem Phasendiskriminator zugeführt. Eine Einrichtung zum Erzeugen eines Spannungssignals, das den Leitungsstrom der roten Phase oder, einfacher gesagt, den roten Leitungsstrom darstellt, ist in der Fig. 1 dargestellt und enthält einen Stromwandler G, der den roten Leitungsstrom abfühlt und dessen Sekundärwicklung mit einem Bürdenwiderstand B verbunden ist. Das Spannungssignal fällt am Bürdenwiderstand B ab und ist dem roten Leitungsstrom proportional und mit ihm in Phase. Ein weiteres Spannungs signal, das mit der zugeordneten roten Phasenspannung in Phase ist, kann von einem geeigneten, nicht dargestellten Spannungswandler geliefert werden oder bei geringerem Kostenaufwand von einer elektro-optisehen.Trennanordnung.

Die Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung der Amplitude Ι« des roten Lei tungs stromes in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen dem roten Leitungsstrom und der roten Phasenspannung, wobei ein der Spannung nacheilender Strom als positive Phasendifferenz dargestellt ist. Die rote Leitungsstromamplitude, die für einen Dreiphasenasynchronmotor charakteristisch ist, ist durch eine Kurve 12 mit drei Punkten S, F und Z wiedergegeben. Der Punkt S entspricht den Bedingungen für die rote Lei tungs stromamplitude und die rote Phasendifferenz bei blockiertem oder startendem Motor. Wenn sich der Rotor (nicht dargestellt) des Motors beschleunigt, verschieben sich die Betriebsbedingungen entlang der Kurve 12 nach unten vom Punkt S zum Punkt F, der dem Betrieb unter voller mechanischer BeIa-

909846/0826

stung entspricht. Der Motor arbeitet jetzt mit maximaler Effizienz. Falls der Motor nicht voll belastet ist, bleiben die Betriebsbedingungen nicht beim Punkt F, sondern wandern längs der Kurve 12 vom Punkt F in Richtung auf den Punkt Z, der dem Betrieb unter mechanischer Nullast oder bei mechanischem Leerlauf entspricht. Der tatsächliche Punkt auf der Kurve 12, bei dem der Motor arbeitet, hängt von der mechanischen Belastung des Motors ab und liegt beim Punkt F oder beim Punkt Z oder zwischen diesen beiden Punkten, und zwar unter der Voraussetzung, daß der Motor nicht überbelastet ist. Wenn die mechanische Belastung konstant ist, wie es für ein Gebläse der Fall ist, liegt der Betriebspunkt fest. Wenn sich die mechanische Belastung zwischen Grenzen ändert, wie es bei einer Kohlenschrämmaschine der Fall ist, wandert der Punkt auf der Kurve 12 hin und her.

Der zwischen dem Punkt S und dem Punkt F liegende Abschnitt der Kurve ist im wesentlichen geradlinig und gegenüber der positiven Phasendifferenzachse um einen spitzen Winkel geneigt.

Sowohl die blaue Leitungsstromamplitude als auch die gelbe Leitungsstromamplitude verhalten sich in der gleichen Weise und haben daher Betriebskurven, die der Kurve 12 entsprechen. Die Start- und Vollastpunkte definieren eine gerade Linie mit der gleichen Steigung und erstrecken sich wie der Abschnitt SF der Kurve 12.

Die Stromamplitude beim Punkt S, d.h. der Startstrom, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sechsmal größer als die Amplitude des Stroms beim Punkt F, d.h. die Stromamplitude bei voller mechanischer Belastung. -

Wie es in der Fig. 4 dargestellt ist, kann man eine Linie 13 einzeichnen, die in einem geringen Abstand parallel zum Abschnitt SF der Kurve 12 verläuft und durch die folgende Gleichung definiert ist:

-809846/0826

Dabei ist (jT die Phasendifferenz, I_L die Leitungsstrom-

amplitude, S- · mK die Steigung, (ji_c eine Konstante, die

B
die Schnittstelle auf der Phasendifferenzachse definiert, und n, Rg, m sowie K sind Konstanten, die noch erläutert werden.

Jede Bedingung oder jeder Zustand, der in dem Diagramm aus der Phasenstromamplitude und der Phasendifferenz einen Punkt zwischen der Amplitudenachse und der Linie 13 definiert, ist ein Fehler- oder Störungszustand und kann gemäß der Erfindung durch Vergleich der Leitungsstromamplituden- und Phasendifferenzwerte bei dem fraglichen Punkt mit denjenigen der Linie 13 erfaßt werden. In der Praxis wird dieser Vergleich für alle Phasenleitungen durchgeführt.

Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum Vergleichen der Leitungsstromamplituden- und Phasendifferenzwerte für eine Phase mit einer definierten linearen Beziehung zwischen dem Leitungsstrom und der Phasendifferenz. Ein von einer nicht dargestellten Einrichtung geliefertes Spannungssignal mit einer Amplitude V ist in Phase mit der Phasenspannung (Spannung zwischen einer Leitung und dem Nullpunkt) einer Phase eines einen (nicht dargestellten) Induktions- oder Asynchronmotor speisenden Netzes, 1st jedoch nicht notwendigerweise mit dieser Phasenspannung proportional. Ein von einer nicht dargestellten Einrichtung geliefertes weiteres Spannungssignal mit einer Amplitude I ist in Phase mit dem Leitungsstrom der betreffenden Phase und diesem Leitungsstrom proportional. Die Signale mit den Amplituden V und I werden einem Phasendiskriminator 14 zugeführt, der als Ergebnis ein Spannungssignal f liefert, das der Phasendifferenz zwischen den Signalen mit den Amplituden V und I proportional ist. Dies bedeutet: <jj = Κ·|, wobei <]) die Phasendifferenz ist und K ein Proportionalitätsfaktor mit der Einheit Volt pro Grad ist.

909848/082$

Das Signal mit der Amplitude I wird auch einer Umkehrstufe 15 zugeführt, an deren Ausgang das Signal -I auftritt, das I proportional und gegenüber dem Signal §_v von entgegengesetzter Polarität ist. Das Signal -I wird einem spannungsteilenden Potentiometer P1 zugeführt, das das Signal -I um einen Faktor m teilt, um ein Spannungssignal -( /m)I zu erzeugen.

An einen Verglexcher 16 ist eine Referenzspannung (5 gelegt, die durch ein Potentiometer P2 eingestellt wird, das von einem Anschluß 17 eine konstante Spannung erhält. Der Vergleicher 16 überprüft die Signale <jj_v und "-( /m)l mit der Gleichung I = m ( <j>_v - (j>_cv ), indem er die Differenz

NL - ( M)M niit der Referenzspannung (jj vergleicht,

Fallsf5_v - (¹/m)£j> <jj_cv, liefert der Vergleicher 16 eine Nullausgangs spannung·

Fallsj<jj_v - ( /ia)Ij< <j>_cv> liefert der Vergleicher 16 eine

Ausgangsspannung, die ausreicht, um eine Relaiseinheit 18 zu erregen. Diese Ausgangsspannung ist die einen Fehler oder eine Störung anzeigende Ausgangsspannung.

^Da Φ_ν - ^K$* wobei K eine Konstante und (j) die Phasendifferenz ist, kann man die Gleichung I = m((j[ - $_cv) ^wie folgt schreiben:

wobei 0. eine konstante Phasendifferenz ist. Da man weiterhin I mit der Leitungsstromamplitude I_L in Beziehung setzen kann^ und zwar durch die Gleichung I = RIt » wobei R eine Konstante mit der Dimension eines Widerstands ist, kann man die Gleichung für die Linie 13 wie folgt schreiben:

I₁ - (J) BK ( J - }_c ).

909846/0820

Bei einem an Hand der Fig. 5 erläuterten Beispiel für eine Einrichtung zum Abfühlen des LeitungsStroms und Erzeugen eines Signals, das die Leitungsstromamplitude darstellt, gilt R = R_ß/n, wobei Rg ein Bürdenwiderstand und η ein Stromwandlerverhältnis ist, so daß man die Gleichung für die Leitungsstromamplitude wie folgt schreiben kann:

I_L-g- . mK (J-I₀)..

Die Erregung der Relaiseinheit 18 wird herangezogen, um einen Leistungsschalter zu öffnen, dessen Kontakte in den Versorgungs- oder Netzleitungen liegen, die zum (nicht dargestellten) Motor führen. Da es erforderlich ist, die Verbindung in allen drei Phasen eines mit einem Dreiphasenasynchronmotor verbundenen Dreiphasennetzes zu unterbrechen, wenn ein Fehler oder eine Störung auftritt, steuert die Relaiseinheit 18 einen Leistungsschalter mit drei Kontaktgruppen an, und zwar Kontaktgruppen X wie bei der Darstellung nach der Fig. 1, und der Leistungsschalter ist so angeordnet, daß er von der störungsanzeigenden Ausgangsspannung bzw. Störungsanzeigespannung von jedem der drei Vergleicher erregt werden kann, von denen einer der in der Fig. 2 gezeigte Vergleicher 16 ist und die beiden anderen entsprechende Vergleicher von zwei Gruppen von Anordnungen sind, wie sie an Hand der Fig. 2 unter Einschluß des Vergleichers 16 beschrieben sind, und die so angeordnet sind, daß sie Spannungssignale empfangen, die dem gelben bzw. blauen Leitungsstrom proportional und mit ihm in Phase sind, und die Spannungssignale empfangen, die mit der gelben bzw. blauen Phasenspannung in Phase sind. Das Potentiometer P2 kann allen drei Vergleichern gemeinsam sein.

Ein Beispiel einer für den Phasendiskriminator 14 geeigneten Schaltung ist ein Phasenwinkel/Impulsbreiten-Umsetzer, wie er auf der Seite 544 der Druckschrift

909846/0828

"Electronic Measurements for Scientists", Howard V. Mahnstadt, Christie G. Enke und Gary Horlick, veröffentlicht 1974 von W.A. Benjamin, Inc., Merlo Park, California und Reading, Massachusetts, U.S.A., U.S. Library of Congress Catalog Card Nr. 73-17960 beschrieben ist, wobei an den Ausgang des Umsetzers eine Integrierschaltung angeschlossen ist, um die Impulsbreite in eine Spannung umzuformen.

Die Umkehrstufe 15 kann einfacherweise eine Diode sein, die so geschaltet ist, daß sie die Halbperioden des Signals mit der Amplitude I blockiert, die die gleiche Polarität wie die Spannung <£ haben.

Bei dem Vergleicher 16 kann es sich um einai Differential- oder Differenzenoperationsverstärker mit zwei Eingängen handeln, der zwei Summierwiderstände aufweist, wobei der Umkehreingang mit dem Diskriminator 14 bzw. dem Potentiometer P1 verbunden ist und an seinen Ausgang ein Pegeldetektor angeschlossen ist, der eine alles oder nichts anzeigende Ausgangsspannung als Antwort liefert.

Die direkte Proportionalität des Spannungssignals <| zur Phasendifferenz zwischen den Signalen mit der Amplitude V und I ist in der Fig. 3 grafisch dargestellt, wobei auch zu sehen ist, daß 3) symmetrisch zur 5_ -Achse verläuft, d.h. das Spannungssignal (J) unterscheidet nicht zwischen einer voreilenden und nacheilenden Phasendifferenz. Folglich überprüft der Vergleicher 16 die beiden folgenden Gleichungen:

. I- * ( $v- ?cv >
und I » -m ( {_v + J_cv ).

Die letzte der beiden Gleichungen ist diejenige der Spannung analog der Gleichung, die in der Fig. 4 durch eine Linie 13« dargestellt ist. Die Relaiseinheit 18 wird daher erregt, wenn der Betriebszustand zwischen den beiden Linien liegt, die durch diese beiden Gleichungen definiert werden. Diese beiden

909846/0828

Linien erreichen nicht ganz die Phasendifferenzachse, da der Phasendiskriminator 14 ein gewisses Minimum an Eingangsspannung zum Arbeiten benötigt. Diese minimale Eingangsspannung entspricht einem Wert I^ der Amplitude des Leitungsstroms.

Die linken Quadranten der Fig. 3 und 4 werden bei einigen Anwendungen des Ausführungsbeispiels nicht benutzt. Sie sind jedoch beschrieben, da sie bei dem besonderen Beispiel der Anordnung, die an Hand der Fig. 2 erläutert ist, in Erscheinung treten.

Zur Erzeugung eines Signals, das ein Maß für die Phasendifferenz zwischen einer Phasenspannung (Spannung zwischen einer Leitung und dem Nullpunkt) und einem Leitungsstrom ist, arbeitet man zweckmäßigerweise mit Rechteckschwingungen, da dann die Nulldurchgänge, zwischen denen die Phasendifferenz abgefühlt werden soll, sehr leicht erfaßt werden können. Wenn man die entsprechenden Zustände zweier solcher Rechteckschwingungen, von denen die eine in Phase mit der Phasenspannung und die andere in Phase mit dem Leitungsstrom ist, als Binärzustände mit einem hohen Pegel 1 und einem niedrigen Pegel 0 erfaßt, stellt der binäre logische Zustand 1.1 eine Überlappung der positiven Halbperioden der Phasenspannung und des Phasenstroms dar, 0.0 eine Überlappung der negativen Halbperioden und 1.0 sowie 0.1 eine Überlappung der positiven und negativen Halbperioden sowie der negativen und positiven Halbperioden. Jeder der vier binären logischen Zustände stellt während seiner Dauer das Ausmaß und damit den Phasenwinkel der Überlappung dar, die von irgendeinem kleinen Wert bis zu einer vollständigen Halbperiode reichen kann. Weiterhin erkennt man, daß von den vier logischen Zuständen die beiden Zustände 1.0 und 0.1 eine Dauer haben, die direkt der Phasendifferenz zwischen der Phasenspannung und dem Leitungsstrom entspricht. Die Auswahl von 1.0 und 0.1 aus den vier möglichen logischen

909846/0826

Zuständen entspricht einer Exklusiv-ODER-Operation an den beiden logischen Signalen und kann daher in der Form von einem Exklusiv-ODER-Glied mit zwei Eingängen realisiert werden, denen als logische Eingangssignale zwei Rechteckschwingungen zugeführt werden, von denen die eine in Phase mit dem Phasenstrom und die andere in.Phase mit der Phasenspannung ist. Es wird allerdings bevorzugt, anstelle eines Exklusiv-ODER-Glieds eine Anordnung aus vier identischen NAND-Gliedern zu verwenden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem vier NAND-Glieder eine Einrichtung zum Erzeugen von Signalen bilden, die miteinander kombiniert werden können, um die Phasendifferenz darzustellen, ist in der Fig. 5 gezeigt.

Bei der Darstellung nach der Fig. 5 ist ein Dreiphasenasynchronmotor M mit einem Dreiphasennetz 50 verbunden. In der roten, gelben und blauen Phasenleitung 51» 52 und 53 befinden sich Leistungsschalter-Kontaktgruppen 54, um zwar jeweils eine Kontaktgruppe in jeder Leitung. Die Leistungsschalter-Kontaktgruppen werden von einem magnetisch verriegelten Relais 55 angesteuert, das einen einzigen Umschaltkontakt 56 aufweist, der in der Netzschaltung mit der (nicht gezeigten) Wicklung des Leistungsschalters verbunden ist, zu dem die drei Kontaktgruppen 54 gehören.

Wenn der Motor M vom Netz 50 normal versorgt wird, wird der Relaisumschaltkontakt 56 in einer solchen Lage gehalten, daß die Kontaktgruppen 54 des Leistungsschalters geschlossen sind.

Zwischen einem Nullpunkt N und jeder der Leitungen 51 bis 53 befindet sich eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R1, R2 bzw. R3 und einer IRE-Diode (Infrarotemissionsdiode) DI₉ D2 bzw. D3. Jeder der IRE-Dioden ist eine Diode antiparallel geschaltet. Wenn die-rote Phasenspannung-gegenüber dem Nullpunkt M negativ ist, leitet die zugehörige IRE-

109846/082$

Diode D3. In ähnlicher Weise leiten die IRE-Dioden D2 und D3, wenn die gelbe und die blaue Phasenspannung gegenüber dem Nullpunkt N negativ sind. Jede der IRE-Dioden D1, D2 und D3 beleuchtet einen zugeordneten Fototransistor. Von diesen Fototransistoren ist lediglich einer dargestellt, nämlich der Fototransistor T2, der von der IRE-Diode D3 für die rote Phase beleuchtet wird. Jede IRE-Diode und jeder Fototransistor bilden zusammen eine elektro-optische Trennanordnung.

Der Kollektor des Fototransistors T2 ist über einen Widerstand R7 mit einer positiven Speisespannungsleitung von +15 V verbunden. Der Emitter des Fototransistors T2 ist direkt an eine O-V-Speisespannungsleitung angeschlossen. Folglich befindet sich während jeder positiven Halbperiode der roten Phasenspannung der Kollektor des Fototransistors T2 bei +15 V und während jeder negativen Halbperiode der roten Phasenspannung bei 0 V. Eine Periode der mit V^ bezeichneten resultierenden Rechteckschwingung, die am Kollektor des Fototransistors T2 auftritt, ist bei (b) in der Fig. 6 dargestellt, und zwar in Beziehung zu einer Periode der in der Fig. 6 bei (a) dargestellten roten Phasenspannung. Die sinusförmige rote Phasenspannung wird somit durch ein binäres Signal dargestellt, und zwar durch eine Rechteckschwingung V₁, die in Phase mit der roten Phasenspannung zwischen einem Spannungswert von 0 V und +15 V umschaltet.

In ähnlicher Weise werden zwei weitere Rechteck schwingungen erzeugt, von denen die eine in Phase mit der zugeordneten gelben Phasenspannung und die andere in Phase mit der zugeordneten blauen Phasenspannung ist.

Jede der drei Netzleitungen 51 bis 53 bildet die Primärseite eines zugeordneten Stromwandlers. In der Fig. 5 ist lediglich der Stromwandler" G₁ für den roten Leltungs-

strom dargestellt» Die Sekundärwicklung des Stromwandlers G^ ist mit einem Bürdenwiderstand R_ß abgeschlossen. Wenn der Motor M mit dem Netz 50 verbunden ist, fließt durch den Bürdenwiderstand Rg ein Strom I₃, der dem roten Leitungsstrom proportional und mit ihm in Phase ist. Darüber hinaus ist das eine Ende der Sekundärwicklung des Stromwandlers mit der Speisespannungsleitung von 0 V verbunden, und das andere Ende der Sekundärwicklung, das im folgenden aktives Ende genannt wird, ist über zwei in Reihe geschaltete Widerstände R4 und R5 an die Basis eines NPN-Transistors T1 angeschlossen, dessen Emitter direkt mit der Speisespannungsleitung von 0 V in Verbindung steht und dessen Kollektor über einen Widerstand R8 zur Speisespannungsleitung von +15 V führt. Eine Zenerdiode Z1 ist zwischen die Basis und den Emitter des Transistors T1 geschaltet, um den Basis-Emitter-Übergang gegen übermäßige Vorwärtsspannungen zu schützen.

Eine Reihenschaltung aus einer Diode D4, einem Widerstand R6 und einem Potentiometer P1 liegt parallel zum Bürdenwiderstand R₅. Der Widerstand R6 und das Potentiometer P1 bilden die Bauelemente von zwei weiteren gleichartigen Reihenschaltungen, die durch eine Diode D5 bzw. eine Diode D6 vervollständigt werden. Die Reihenschaltung mit der Diode D5 bzw. der Diode D6 ist dem Bürdenwiderstand des gelben bzw. blauen Stromwandlers parallelgeschaltet.

Es wäre auch möglich, für jede der drei Phasen in Verbindung mit den Dioden D5 bis D6 getrennte R6 und getrennte Potentiometer P1 zu verwenden. Abgesehen von zusätzlichen Komponenten hätte eine solche Anordnung einen weiteren Nachteil, der darin bestände, daß sie die Neigung hätte während der Anfahr- oder Startperiode des Motors, bei der infolge der Übergangsströme eine beträchtliche Asymmetrie in den drei Netzleitungen auftritt, eine fehlerhafte Anzeige bezüglich einer Kurzschlußstörung zu liefern. Durch die Verwen-

909846/0828

dung eines gemeinsamen Potentiometers P1 für alle drei Phasen, wie es in der Fig. 5 gezeigt ist, werden die Einflüsse einer Stromasymmetrie über die 20-ms-Periode der Netzfrequenz ausgemittelt.

Eine ÜberSteuerungsverbindung für hohe Ströme, die eine Diode D11 in Reihe mit einem Widerstand R19 und einem Kondensator C2 enthält, der seinerseits zwei Widerständen R20 und R17 parallel liegt, ist an das aktive Ende der Sekundärwicklung des Stromwandlers G^ und an die Speisespannungsleitung von 0 V angeschlossen.

In entsprechender Weise sind für die Sekundärwicklungen der beiden anderen Stromwandler zwei weitere ÜberstromüberSteuerungsverbindungen vorgesehen, und zwar mit Dioden D12 und D13, die an den Verbindungspunkt zwischen der Diode D11 und dem Widerstand R19 angeschlossen sind.

Beim Betrieb fließen die positiven Zyklen des Sekundärstromes des Stromwandlers G^ durch den Bürdenwiderstand R_ß und die Überstrom-ÜberSteuerungsverbindung D11, R19 und R20, wohingegen die negativen Zyklen durch den Bürdenwiderstand Rg und die Reihenschaltung D4, Ro und P1 fließen.

Der Transistor T1 leitet lediglich während der positiven Halbperioden des Sekundärstroms und arbeitet in einer solchen Weise, daß er während dieser Halbperioden gesättigt ist. Eine Rechteckschwingung Xj, die bezüglich der Phase des roten Leitungsstroms I_R von entgegengesetzter Phase ist und zwischen 0 V und +15 V umschaltet, wird somit am Kollektor des Transistors T1 erzeugt. In der Fig. 6 ist bei (d) eine einzige Periode dieser Rechteckschwingung I₁ gezeigt, und zwar in zeitlicher Beziehung zu der entsprechenden Periode des roten Phasenstroms, der in der Fig. 6 bei (c) dargestellt ist.

909846/0826

Das Signal V₁ wird dem einen Eingang eines NAND- . Glieds 1 zugeführt, das zwei Eingänge hat und ein NAND-Glied von insgesamt vier gleichartigen NAND-Gliedern 1, 2, 3 und 4 bildet. Der andere Eingang des NAND-Glieds 1 ist direkt mit der Speisespannungsleitung von +15 V verbunden, so daß das NAND-Glied 1 als logisches Umkehrglied arbeitet und an seinem Ausgang ein Signal V₁ abgibt.

Das Signal I₁ ist an den einen Eingang des NAND-Glieds 2 gelegt, dessen anderer Eingang direkt mit der Speisespannungsleitung von +15 V verbunden ist. Dieses NAND-Glied wirkt daher ebenfalls wie ein logisches Umkehrglied und erzeugt an seinem Ausgang ein Signal I₁. Der Ausgang des NAND-Glieds 2 ist mit dem einen Eingang des NAND-Glieds verbunden, dessen anderer Eingang an den Kollektor des Transistors T2 angeschlossen ist und von dort das Signal V₁ empfängt. Dem NAND-Glied 3 werden daher die Signale V₁ und I₁ zugeführt und es liefert folglich an seinem Ausgang ein Signal V₁ · I₁.

Der Ausgang des NAND-Glieds 1 ist mit dem einen Eingang des NAND-Glieds 4 verbunden, dessen anderer Eingang an den Kollektor des Transistors T1 angeschlossen ist und folglich von dort das Signal I₁ empfängt. An den Eingängen des NAND-Glieds 4 liegen daher die Signale V₁ und I₁, so daß am Ausgang dieses NAND-Glieds ein Signal V₁ · I₁ auftritt, d.h. V₁ +I₁.

Die Bedingungen V₁ · I₁ und V₁ · I₁ entsprechen den Eingangsbedingungen für ein UND-Glied mit zwei Eingängen, um eine Exklusiv-ODER-Operation an V₁ und I₁ auszuführen. Es ist allerdings nicht erforderlich, die Ausgänge der NAND-Glieder 3 und 4 mit einem UND-Glied zu verbinden, da die algebraische Summe, im Gegensatz zum logischen Produkt, von V₁ · I₁ und (V₁ + I-,) ein Signal ergibt, von denen der Mittelwert analog ausgedrückt ein Maß der Phasendifferenz zwischen V₁ und I₁ ist, wie man es in der Fig. 7 erkennen

^kamu 909846/0826

In der Fig. 7 sind in Spalten von links beginnend fünf mögliche Phasendifferenzen zwischen V₁ und I₁ dargestellt, nämlich 0°, 45°, 90°, 135° und 180°. Wenn man sich jede Spalte von oben nach unten ansieht, findet man die Darstellung einzelner Perioden von Jedem der Signale V₁, I-., (V₁ + I₁) und V₁ · I₁ sowie die algebraische Summe von (V₁ + I₁) und V₁ · I₁ · Den für das algebraische Summensignal gegebenen Mittelwerten kann man entnehmen, daß bei jeder Zunahme von 45° in der Phasendifferenz zwischen V₁ und I₁ der Mittelwert der algebraischen Summe um 3,75 V zunimmt. Die Fig. 8 zeigt die linearen Beziehungen zwischen diesen Variablen, wobei die bereits eingeführte Proportionalitätskonstante K einen Wert von 0,0833 V/⁰ hat«

Die Signale V₁ · I₁ und (V₁ + I₁) werden bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 nicht als Spannungssignale gemittelt, sondern in einer mit einem Vergleicher 60 verbundenen Summieranordnung als Stromsignale algebraisch summiert.

Der Vergleicher 60 ist an Widerstände R9, R10 und R11 angeschlossen. Im einzelnen ist das eine Ende des Widerstands R9 mit dem Ausgang des NAND-Glieds 4, das eine Ende des Widerstands 10 mit dem Ausgang des NAND-Glieds 3 und das eine Ende des Widerstands R11 mit dem Schleifer des Potentiometers P1 verbunden. Die anderen Enden der Widerstände R9, R10 und R11 sind an den Umkehreingang eines Differential- oder Differenzenoperationsverstärkers 61 angeschlossen. Die Widerstandswerte der Widerstände R9, R10 und R11 sind alle miteinander gleich.

Der Ausgang des Verstärkers 61 ist über einen Kondensator C1 auf seinen Umkehreingang zurückgekoppelt. Die an den Ausgängen der NAND-Glieder 3 und 4 und am Schleifer des Potentiometers P1 auftretenden Spannungen werden folglich summiert und integriert.

909846/0826

Der nicht umkehrende Eingang des Verstärkers 61 ist an eine Referenzspannungsquelle aus zwei festen Widerständen R14 und R15 sowie einem veränderlichen Widerstand P2 angeschlossen, der mit den beiden anderen Widerständen in Reihe geschaltet ist. Dabei ist die Anordnung im einzelnen so getroffen, daß der nicht umkehrende Eingang des Verstärkers 61 an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R14 und R15 angeschlossen ist und das freie Ende des Widerstands R14 mit der Speisespannungsleitung von +15 V und das freie Ende des veränderlichen Widerstands P2 mit der Speisespannungsleitung von 0 V verbunden ist»

Beim Betrieb nimmt der Ausgang des Verstärkers 61 ein Potential von etwa 0 V an, wenn die über eine Periode gemittelte algebraische Summe der Spannungen an den Widerständen R9, R10 und R11 größer als die Spannung am nicht umkehrenden Eingang des Verstärkers 61 ist. Demgegenüber steigt das Potential am Ausgang des Verstärkers 61 mit einer Zeitkonstanten, die von den Werten der Bauelemente C1, R9, R10 und R11 bestimmt ist, auf +15 V an, wenn die genannte Summe kleiner als die Spannung am nicht umkehrenden Eingang ist. Die Zeit, die dann der Vergleicher 60 braucht, um sein Ausgangssignal von etwa 0 V auf +15 V zu ändern, hängt von der Zeitkonstanten und dem Betrag der Differenz zwischen dem Summenpotential an den Enden der Widerstände R9, R10 und R11 sowie der Spannung am nicht umkehrenden Eingang ab. .

Der Ausgang des Verstärkers 61 ist mit der Anode einer Trenndiode D7 verbunden, deren Katode an das eine Einde eines Widerstands R16 angeschlossen ist, der in Reihe mit dem Widerstand R17 liegt.

Ein Verbindungspunkt 100 zwischen den Enden der Widerstände R16, R17 und R20 ist mit der Basis eines ersten NPN-Transistors T3 verbunden, der zusammen mit einem Transistor T4 eine Darlington-Schaltung bildet.

909846/0826

Der Kondensator C2, der der Reihenschaltung aus den Widerständen R17 und R20 parallelgeschaltet ist, schützt die Darlington-Schaltung gegen hohe Stromstöße oder tfoerstromstöße, die auftreten können, wenn der Stromwandler G^ oder einer der beiden anderen Stromwandler (nicht gezeigt) Leitungsströme hoher Amplitude erfaßt.

Der Emitter des zweiten NPN-Transistors T4 der Darlington-Schaltung ist mit der Katode einer Zenerdiode Z2 verbunden, deren Katode an die Speisespannungsleitung von 0 V angeschlossen ist. Die Kollektoren der beiden NPN-Transistoren T3 und T4 sind über die Arbeitswicklung 71 des magnetisch verriegelten Relais 55 und einen manuell betätigbaren einpoligen Zweistellungs-Setz-Rücksetz-Schalter 80 an die Speisespannungsleitung von +15 V angeschlossen. Bei der Darstellung nach der Fig. 5 befindet sich der bewegbare Kontakt 81 des Schalters 80 in seiner Setzposition. Wenn der Kontakt 81 in die Rücksetzposition geschaltet ist, sind die Wicklung 71 und die Darlington-Schaltung von der Speiseleitung von +15 V getrennt. Die Rücksetzwicklung 72 des Relais 55 ist dann direkt zwischen die beiden Speisespannungsleitungen von +15 V und 0 V geschaltet.

Ein Widerstand R18 ist der Reihenschaltung aus der Wicklung 71 und der Darlington-Schaltung parallelgeschaltet, so daß die Zenerdiode 22 stromleitend ist und der Widerstand R18 die Emittervorspannung für den Transistor T4 liefert. Die Gesamtanordnung ist so getroffen, daß, sobald die Spannung am Punkt 100 +4 V überschreitet, die Darlington-Schaltung hinreichend viel Strom leitet, um die Relaiswicklung 71 zu veranlassen, den Kontakt 56 zu einer Leistungsschalter-Betätigungsposition zu schalten, bei der die Kontaktgruppen 54 geöffnet werden. Da das Relais magnetisch verriegelt ist, wird der Kontakt 56 in der Leistungsschalter-Betätigungsposition gehalten, bis die Wicklung 72 durch manuelle Betätigung des Schalters 80 erregt wird.

90 9846/0828

Nach der durch Erregung der Wicklung 71 bewirkten Umschaltung des Kontaktes 56 in die Leistungsschalter-Betätigungsposition wird der Kontakt 56 in dieser Position oder Stellung gehalten, selbst wenn anschließend die Speisespannung von +15 Y ausfällt.

Die Diode D14 schützt die Darlington-Schaltung gegenüber der Gegen-EMK der Wicklung 71, wenn der Kontakt 81 auf die Wicklung 72 umgeschaltet wird.

Wenn ein roter, gelber oder blauer Leitungsstrom, der größer als der Motorstartstrom ist, plötzlich erscheint, wird die Darlington-Schaltung durch die entsprechende Überstrom-Übersteuerungsverbindung getriggert, die den Kondensator C2 enthält, und zwar bevor die NAND-Glieder und der Vergleicher der betreffenden Phase Zeit zum Handeln haben. Die Überstrom-Übersteuerungsverbindung stellt somit sicher, daß das Netz 50 schnell geschützt wird, wenn ein Strom auftritt, dessen Amplitude die Anfahr- oder Startamplitude beim Punkt S in der Kurve 12 überschreitet. Die Werte für die Komponenten der Überstrom- oder Hochstrom-Übersteuerungsverbindung sind so gewählt, daß die Darlington-Schaltung von der Überstrom-ÜberSteuerungsverbindung nicht betätigt werden kann, wenn die Leitungsströme beim Punkt S oder darunter liegen.

Die Referenzspannungsquelle R14, R15 und P2 ist den Vergleichern aller drei Phasen gemeinsam. Die betreffenden Operationsverstärker weisen an ihren Ausgängen die Dioden D7, D8 bzw. D9 auf, die die Ausgänge der Operationsverstärker mit dem Widerstand R16 verbinden, der ebenfalls allen drei Phasen gemeinsam ist. Der Schalter 80, das Relais 55, die Darlington-Schaltung, der Widerstand R18 und die Zenerdiode Z2 sind ebenfalls allen drei Phasen gemeinsam.

909846/0 8

Die Verbindungen mit den nicht umkehrenden Eingängen der (nicht dargestellten) Operationsverstärker für die gelbe und die blaue Phase sind bei Y und B gezeigt. Widerstände R12 und R13 verbinden den Schleifer des Potentiometers PI mit den umkehrenden Eingängen der Operationsverstärker für die gelbe bzw· blaue Phase. Das Potentiometer P1 und der Widerstand R6, die beide den drei Phasen gemeinsam sind, beeinträchtigen nicht die richtige Arbeitsweise der einzelnen Vergleicher, da der Strom, der der Reihenschaltung aus dem Widerstand R6 und dem Potentiometer P1 zugeführt wird, aus drei negativen Halbschwingungen mit Phasendifferenzen von 120° zwischen den zugehörigen Gesamtschwingungen besteht«

Eine entsprechend der Darstellung nach der Fig. 5 ausgebildete praktische Ausführungsform zum Schutz eines angeflanschten, explosionssicheren Dreiphasenasynchronmotors mit einer Leistung von 50 PS und einem Effektivwert von 50 A für den Nennstrom bei Vollast, hatte die folgenden Bauelementwerte :

22 k D. , 17 W, drahtgewickelt für eine Versorgungsspannung von 550 V

1 k D, 2,5 W, drahtgewickelt 470 il

2.2 kQ , 2,5 W, drahtgewickelt

30 kXX

150 kXl 22 k Π 10 kü

3.3 kil 6,8 k Q

4,7 kil, 0,5 W 56 k Xl 68 k fl

909846/0826

Fl P2 C1 C2

180 Π , 5 W, drahtgewiekelt, bei einem Effektivwert von 50 A für den Motorstrom unter voller mechanischer Belastung

470 H, drahtgewickelt 10 kfl, drahtgewickelt 0,1AiF + 20%, metallisierter Papierfilm 0,01 AiF ± 20%, metallisierter Papierfilm

Elektro-optische Trennanordnung

Kombination D3, T2 CNY33, General Electric, USA NAND-Glieder 1 bis 4 CMOS Quad NAND gate 4011, Mullard Verstärker 61 741T Fairchild

Transistor T1, T3 η _T4

Dioden D4, D5, Do,

D11, D12, D13 D14

Dioden D7, D8, D9,

D15, D16, D17

BC 107, Mullard BFY 50, Mullard

IN 4005 (600 V, 1 A)

OA 202 (150 V, 80 mA) Mullard

Zenerdioden Z1, Z2 BZX85 2V7 (2,7 V, 1,3 W)

Relais 55

HDS7 Hellerman Deutsch, Halbkristallhülse, 15-V-¥icklungen.

Stromwandler: Verhältnis 1 : 1000, gewickelte Kernbreite 25,4 mm, UNISIL 41-Streifen 0,28 mm stark, Innendurchmesser 44,5 mnij Außendurchmesser 66,68 mm, Sekundärwicklung mit 1000 Windungen aus emalliertem Kupferdraht, Drahtnormnummer 26(standard wire gage).

Falls nicht anders angegeben, haben alle Widerstände einen 0,25-W-Kohlenstoffilm hoher Stabilität.

Bei dem praktischen Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 sind sämtliche Komponenten für alle drei Phasen, mit Ausnahme der elektro-optischen Trennanordnungen und zugeordneten Komponenten mit Leitungspotential, der Stromwandler und Bürdenwiderstände sowie des manuell betätigbaren Setz- und Rücksetz-Schalters, auf zwei gedruckten Schaltungsplatten befestigt, die ihrerseits in einem Einschubmodul "Keyswitch P304 Plug-in Module" angeordnet sind.

Die Dioden D1, D2 und D3 emittieren im Infrarotbereich des Spektrums, und die Fototransistoren der elektro-optischen Trennanordnungen sprechen folglich auf Infrarotstrahlung an. Bei einer Abwandlung des in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiels sind die drei elektro-optisehen Trennanordnungen durch einen Dreiphasenspannungswandler und drei BC-107-Transistören ersetzt, von denen jeder eine Basiseingangsschaltung hat, wie es für den Transistor T1 dargestellt ist, und die die Transistoren T2 auch für die gelbe und blaue Phase ersetzen.

Die Konstanten m und (L in der Gleichung

I - m ( ϊ_ν - $_cv )

für jede der drei Phasen werden durch Einstellen des Schleifers am Potentiometer P1 und durch Einstellen des veränderlichen Widerstands P2 festgelegt, wobei das Potentiometer P1 die Konstante m und der Widerstand P2 die Konstante (j? bestimmt. Die summierten möglichen Werte der Spannung, die f darstellt, reicht von +15 V bis +30 V, wie es in der Fig. 7 dargestellt ist. Der in dieser Spannung enthaltene konstante Pegel von +15 V wird durch Vorspannen der Operationsverstärker an ihren nicht umkehrenden Eingängen entfernt. Die Leitungsströme erstellen einen Bereich möglicher Spannungsamplituden an den Bürdenwiderständen in Übereinstimmung mit dem Verhältnis der Stromwandler und der

909846/0826

Impedanzen der Bürdenwiderstände· Das Einstellen des Schleifers am Potentiometer P1 legt an den gemeinsamen Enden der Widerstände R11, R12 und R13 einen Bereich möglicher Spannungswerte fest, die den möglichen Leitungsstromamplituden proportional sind und so bemessen sind, daß sie in bezug auf die Werte der Phasendifferenz 0, die durch die Ausgänge der drei Gruppen der vier NAND-Glieder, wie der NAND-Glieder 1 bis 4 in der Fig. 5 (1/m) darstellt. Wenn man für den Leitungsstrom die Gleichung

1ς · -κ (J - £.)

in Betracht zieht und wenn für einen besonderen Motor die Steigung der Kennlinie SF (Fig. 4) in A/⁰ und den benötigten Wert von J in Grad mißt, kann man den erforderlichen Wert von m aus der folgenden Gleichung berechnen:

Steigung der Kennlinie = n— · mK.

Dabei werden für n, Rg und K geeignete Werte ausgewählt.

Das Potentiometer PI kann man dann einstellen, um den erforderlichen Wert von 1/m zu gewinnen. In ähnlicher Weise kann man die Einstellung der veränderlichen Widerstands P2 aus dem erforderlichen Wert von (J₀ berechnen.

Die Fig. 9 zeigt eine Prüfschaltung zum Testen der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 5 unter Berücksichtigung der in der Fig. 15 dargestellten Abwandlung,

Die Prüfschaltung enthält drei Phasenleitungen 101, 102 und 103 eines Dreiphasennetzes von 3_t3 kV, drei Sätze von Kontakten 104 eines (nicht dargestellten) Hauptleistungsschalters in den Verbindungen der Leitungen 101, 102 und mit den Primärwicklungen eines dreiphasigen Anlagentransformators, der 3f3 kV auf 500 V transformiert, und einen Stromwandler 106 zum Abfühlen des Stromes, der von der 550 V

909846/0826

führenden roten Phasenleitung 111 des dreiphasigen Netzes in den Stator 107 eines angeflanschten, explosionssicheren 50-PS-Asynchronmotors mit einer Nennstromamplitude von 50 A bei Vollast fließt. Das dreiphasige Netz von 550 V wird von den in Stern geschalteten Sekundärwicklungen 110 des Transformators 105 gebildet. Der Motor wird von einem Wirbelstromdynamometer (nicht gezeigt) vom Typ Heenan-Dynamatic belastet. Eine Störung bzw. einen Kurzschluß mit einem Leistungsfaktor von 1 kann man durch Schließen eines Arbeitskontaktschalters 108 simulieren, der in Reihe mit einem veränderbaren Kurzschlußwiderstand 109 liegt. Die Reihenschaltung aus dem Schalter 108 und dem Widerstand 109 befindet sich zwischen der roten Phasenleitung 111 und der gelben Phasenleitung 112. Fehler mit einem Leistungsfaktor von 1 kann man zwischen der roten und der blauen Phasenleitung sowie zwischen der gelben und der blauen Phasenleitung durch entsprechend vorgesehene Arbeitskontaktschalter und Fehlerwiderstände simulieren, die jedoch nicht gezeigt sind. In der Kurzschluß- oder Fehlerleitung mit dem Schalter 108 und dem Widerstand 109 befindet sich ein Stromwandler 114, der den Fehlerstrom zwischen den beiden fraglichen Phasenleitungen bzw. den durch den Widerstand 109 fließenden Fehlerstrom abtastet. Die Fehlerströme zwischen den anderen beiden Phasenleitungspaaren können in ähnlicher Weise abgetastet werden·

Das beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 vorgesehene Relais 55 dient bei der Anordnung nach der Fig. 9 zum Steuern des Öffnens der Sätze der Kontakte 104. Der Rest des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 4 ist in der Fig. 9 durch einen Block 115 dargestellt, der die Leitungsströme und die zwischen den Leitungen herrschenden Spannungen der Versorgungs- oder Netzleitungen 111, 112 und 113 zwischen den Sekundärwicklungen 110 des Transformators 105 und dem durch den Schalter 108 und den Widerstand 109 simulierten Fehler abtastet.

909846/0828

Wenn die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels aufgrund einer Störung oder eines Fehlers zwischen der roten und der gelben Phasenleitung 111 und 112 überprüft werden soll, werden Anzeigesignale gewonnen, die den Zustand des Relais 55 sowie des Fehler- und Motorstroms darstellen, und zwar vom Relais 55 und den Stromwandlern 114 und 106. Weiterhin wird die Spannung an den gemeinsamen Katoden der Dioden D7, DS und D9 (Fig. 5) angezeigt. Diese Anzeigesignale werden auf dem Schirm eines Katodenstrahloszillographen dargestellt.

Die Fig. 10 ist eine grafische Darstellung der Anzeigesignale, die in der Prüfschaltung beim normalen Starten des direkt mit den Leitungen verbundenen Motors auftreten, wenn der Motor nicht belastet ist. Eine in der Fig. 10 horizontal verlaufende Linie Tr1 zeigt an, daß im Zustand des Relais 55 keine Änderung aufgetreten ist. Eine horizontal verlaufende Linie PU₁ mit einem kurzen Abschnitt 200, in dem positiv gerichtete Ausschläge auftreten, zeigt keine Veränderung des Spannungspegels an den gemeinsamen Katoden der Dioden D7» D8 und D9. Der vom Stromwandler 106 abgetastete Motorstrom ist durch einen Kurvenzug M^ dargestellt, der im Anschluß an einen Pegel von Null den Startstrom mit einer Amplitude von 430 A zeigt. Dieser Startstrom verringert sich dann auf einen Betriebsstrom mit einer Amplitude von etwa 35 A. Eine horizontal verlaufende Linie Fq stellt einen Nullfehlerstrom dar.

Die in der Fig. 10 dargestellten Signale treten auf, wenn der Motor vom Ruhezustand aus gestartet wird. Beim Anschließen des Motors an das Netz tritt an den gemeinsamen Katoden der Dioden ein geringfügiger Übergangsvorgang auf, wie es im Abschnitt 200 der Linie PtL, in der Fig. 10 dargestellt ist. Dieser Übergangsvorgang reicht jedoch nicht aus, um das Relais 55 auszulösen. Der beim Starten wahrnehmbare Übergangsvorgang wird dadurch hervorgerufen, daß die Leitungsströme des Motors anfangs in bezug auf den Nullpunkt

909846/0826

asymmetrisch sind. Die Dauer des Übergangsvorgangs steht in einem Zusammenhang mit dem Zeitpunkt des Einschaltens des Motors innerhalb der Schwingungsperiode. Die Spannung an den gemeinsamen Katoden der Dioden wird durch die Belastung des Motors nicht beeinträchtigt.

In der Fig. 11 sind die Anzeigesignale dargestellt, die man erhält, wenn der Motor im Leerlauf betrieben wird und dann durch Schließen des Schalters 108 bei einer geeigneten Einstellung des veränderlichen Widerstands 109 ein Fehl er strom F^ mit einem Effektivwert von 25,5 A hervorgerufen wird. Nach etwa einer halben Periode des Leitungsstroms vom Einsatzzeitpunkt des FehlerStroms F^ an, beginnt die Spannung an den gemeinsamen Katoden der Dioden anzusteigen, und zwar in Form einer Folge von sägezahnförmigen Schwingungen etwa konstanter Amplitude, wie es bei PUp in der Fig. 11 gezeigt ist. 180 ms nach dem Einsatzzeitpunkt des Fehlerstroms wird das Relais 55 ausgelöst. Dies kann man an dem Schritt in der Kurve Tr2 der Fig. 11 erkennen. Etwa 11/2 Perioden des Phasenstroms nach dem Auslösen des Relais 55 werden die Kontakte 104 der Kontaktsätze des Leistungsschalters geöffnet. Die Spannung an den gemeinsamen Katoden der Dioden kehrt dann sehr schnell auf den normalen Pegel zurück. Einige Zeit nach der Trennung des Motors vom Netz durch die Leistungsschalterkontaktsätze arbeitet der Motor infolge des Trägheitsmomentes seines Rotors als Generator. Die Amplitude und Frequenz des Motor- und Fehlerstroms nimmt allmählich mit der Verzögerung des Rotors bis zum Stillstand ab. Dies kann man an Hand der Kurvenzüge M2 und F- der Fig. 11 erkennen, die den Motorstrom und den Fehlerstrom darstellen.

Die in der Fig. 11 dargestellten Signale erhält man, wenn der Motor im Leerlauf betrieben wird. Dies ist bezüglich der Empfindlichkeit der in der Fig. 5 dargestellten Anordnung der ungünstigste Fall. Der Fig. 4 kann man nämlich entnehmen, daß der Punkt Z, der den Leitungsstrom und die

9848/082S

Phasendifferenz im Leerlauf des Motors repräsentiert, am weitesten von der Linie 13 entfernt ist, die durch die folgende Gleichung definiert ist:

I₁ = 5- - mK ( J -

^LL

Ein Fehler strom mit einem Effektiwert von 25,5 A ist etwa der kleinste Fehlerstrom, auf den die Anordnung nach der Fig. 5 unter diesen Bedingungen ansprechen kann. Bei einem Fehlerstrom mit einem Effektivwert von 20,0 A wurde das Relais 55 bei leerlaufendem Motor nicht ausgelöst. Der gemessene minimale Fehlerstrom, bei dem das Relais bei leerlaufendem Motor ansprach, hatte einen Effektivwert von 25,34 A.

In der Fig. 12 sind die Verhältnisse dargestellt, wenn der Motor im Leerlauf betrieben wird und ein Fehlerstrom mit einem Effektivwert von 114 A auftritt. Dabei stellt die Kurve Tr3 das Auslösesignal, die Kurve PU, die Spannung an den gemeinsamen Katoden der Dioden, die Kurve M^ den Motorstrom und die Kurve Fp den Fehlerstrom dar. Die Spannung nach der Kurve PU-, beginnt nahezu unmittelbar mit dem Einsetzen des Fehlerstroms anzusteigen. Die Relaisauslösung erfolgt 40 ms nach dem Einsetzen des Fehlerstroms. Der in der Kurve PU, gezeigte Spannungsanstieg erfolgt so schnell, daß die Spannung ihren oberen Pegel erreicht, bevor die Kontakte 104 der Leistungsschalterkontaktsätze öffnen. Sobald diese Kontakte geöffnet sind, beginnt die Spannung an den gemeinsamen Katoden der Dioden in Richtung auf ihren unteren Pegel abzunehmen. Der Motor arbeitet noch wie ein Generator mit abnehmender Ausgangsspannung und Frequenz.

Bei einem Fehlerstrom mit einem Effektivwert von 3200 A erhält man ähnliche Verhältnisse wie bei der Darstellung nach der Fig. 12, wenn die Überstrom-Übersteuerungsverbindungen nach der Fig. 5 entfernt wären. Die Zeit,

909846/0828

die vom Einsetzen des Fehlerstroms bis zum Auslösen des Relais vergeht und im folgenden mit Auslösezeit bezeichnet wird, fällt für einen derart hohen Fehlerstrom auf 20 ms ab. Für die Auslösezeit hat man empirisch die folgende Gleichung gefunden:

A (I₄, - c)

-a

Dabei ist t die Auslösezeit in Sekunden, I_f der Effektivwert des Fehlerstroms in Ampere, A eine positive Konstante mit einem Wert von 0,098, c der Effektivwert des minimalen Auslösestroms

mit 25,34 A und
a eine positive Konstante mit einem Wert von 0,197.

Die Überstrom-Übersteuerungsverbindungen werden bei Fehlerstromamplituden wirksam, die über dem normalen Startleitungsstrom liegen, und zwar unabhängig von den Phasenbeziehungen mit der Netz- oder Versorgungsspannung. In der Fig. 13 sind die Signalverläufe Tr4 für das Relais, PU^ für die Spannung an den gemeinsamen Katoden der Dioden, M^ für den Motorstrom und F-* für den Fehlerstrom gezeigt, wenn bei einem Fehlerstrom mit einem Effektivwert von 4200 A die Überstrom-Übersteuerungsverbindung für die rote Phase wirksam wird. Die kürzeste Auslösezeit für diesen Strom beträgt 6 ms. Die kürzesten Auslösezeiten mit wirksamen Überstrom-Übersteuerungsverbindungen bei Fehlerströmen mit Effektivwerten von 3200 A und 1500 A betragen 7 bzw. 8 ms. Die Auslösezeiten für zweiphasige Kurzschlußfehler hängen bis zu einem gewissen Maße vom Zeitpunkt des Auftretens des Fehlerstroms innerhalb der Schwingungsperiode ab.

In der Fig. 14 sind die mit Hilfe der Prüfschaltung nach der Fig. 9 gewonnenen Ergebnisse dargestellt, wenn der Motor nicht angeschlossen ist und ein Fehlerstrom mit einem Effektivwert von 0,7 A auftritt. Die Signalverläufe Tr5,

909846/0828

2918A23

c, M₁- und F^ stellen das Relaisanzeigesignal, die Spannung an den gemeinsamen Katoden der Dioden, den Motorstrom für die rote Phase und den Fehlerstrom dar. Der Motorstrom ist augenscheinlich Null. Die Auslösezeit beträgt 100 ms. Bei einem Fehlerstrom mit einem Effektivwert von 1,4 A verringert sich die Auslösezeit auf 68 ms.

Die oben angegebenen Auslösezeiten enthalten alle die Ansprechzeit des Relais, die bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel vom Hersteller mit maximal mit 3 ms angegeben wird. Kürzere Auslösezeiten kann man erhalten, wenn man anstelle des Relais 55 gesteuerte Siliciumthyristören verwendet»

Wenn der Motor voll belastet ist, spricht das besondere Ausführungsbeispiel der Erfindung nach der Fig. 5 auf Fehlerströme an, die ein Fünftel des Stromes betragen, den der Motor in einer Phase zieht.

Die Anordnung der Fig. 5 kann so modifiziert werden, daß sie die Kontakte 54 der Leistungsschalterkontaktsätze bei Fehlerströmen mit einem Effektivwert von etwa 0,4 A öffnet, wenn der Motor mit dem Netz nicht verbunden ist. Der Zweck dieser Modifikationen besteht darin, die Kollektorspannungen der Fototransistoren in Phase mit den verketteten Spannungen, also mit den zwischen den Leitungen auftretenden Spannungen, anstatt mit den Phasenspannungen, d.h. mit den jeweils zwischen einer Leitung und dem Nullpunkt auftretenden Spannungen, zu bringen und sicherzustellen, daß an den Bürdentransistoren der Stromwandler eine rechteckförmige Spannungsschwingung abfällt, selbst wenn der Leitungsstrom nur durch einen niedrigen Fehlerstrom mit einem Effektivwert von 0,5 A hervorgerufen wird. Die Modifikation der elektrooptischen Trennanordnung ist bei (a) in der Fig. 15 gezeigt. Kondensatoren C3, C4 und C5 sind mit den Widerständen R1, R2 und R3 in Reihe geschaltet. Für ein Dreiphasennetz mit 550 V gilt:

909846/082S

R1 = R2 = R3 = 19 kn. , 17 W
C3 = C4 = C5 = 0,3/UF.

Für ein Dreiphasennetz mit 1100 V gilt:

R1 = R2 = R3 = 38 kn , 34 W
C3 = C4 = C5 = 0,15/UF.

Die Modifikation der Stromwandlerschaltung ist bei allen Phasen die gleiche. In der Fig. 15 ist daher bei (b) lediglich die modifizierte Stromwandlerschaltung für die rote Phase dargestellt. Die Modifikation besteht darin, daß eine Diodenbrücke Dg in Reihe mit dem Bürdenwiderstand R„ zwischen die Enden χ und y der Sekundärwicklung des Stromwandlers G₁ geschaltet ist. Die Diodenbrücke D_ß besteht aus vier Dioden, die die Zweige der Brücke bilden, sowie einer fünften Diode, die in denjenigen Diagonalzweig der Diodenbrücke geschaltet ist, der nicht mit dem Bürdenwiderstand R_ß und der Speisespannungsleitung von 0 V verbunden ist. Wenn somit überhaupt irgendein Strom zwischen den Enden χ und y durch den Bürdenwiderstand R_ß und die Diodenbrücke D_ß fließt, kann die Spannung zwischen χ und y nicht kleiner als die Summe der drei Vorwärtsspannungsabfälle dreier in Reihe liegender Dioden der Diodenbrücke D_ß sein. Bei den fünf Dioden der Brücke handelt es sich beispielsweise um fünf IN4005-Dioden. Bei (c) ist in der Fig. 15 die resultierende Rechteckspannung 300 zwischen χ und y für einen Phasenstrom mit einem Effektivwert von etwa 0,5 A dargestellt. Diese Spannung hat eine Amplitude von etwa 1,5 V, d.h. dreimal 0,5 V. Die Impulsbreite beträgt 10 ms und entspricht daher der Netzfrequenz von 50 Hz.

¹ Da die Kollektorspannungen der Fototransistoren der elektro-optischen Trennanordnung in Phase mit den verketteten Spannungen gebracht sind, eilen die Kollektorspannungen gegenüber den zugeordneten Phasenspannungen um 30° vor. Das Ausführungsbeispiel muß man daher bezüglich der Prüfphasen-

909846/0826

differenzen und Leistungsstromamplituden so ausbildet, daß es die folgende Gleichung befriedigt:

= Iq -««[if+ 30) - (i + 30)]

Die algebraische Summe der Ausgangssignale der NAND-Glieder 3 und 4 für die Modifikationen nach der Fig. 15 ist (([T+ 30) proportional. Folglich ist es erforderlich, den veränderlichen Widerstand P2 so einzustellen, daß er (<j> + 30) im Hinblick auf die Spannung liefert, die den nicht umkehrenden Eingängen der Operationsverstärker der Vergleicher zugeführt wird.

Die Steigungskonstante w- · mK ist eine Kenngröße

^KB
oder Charakteristik des Motors M, der mit dem Netz 50 zu verbinden ist, das von den Ausführungsbeispielen geschützt werden soll. Folglich besteht keine Veranlassung, das Potentiometer P1 neu einzustellen, wenn die Modifikationen nach der Fig. 15 vorgenommen werden. Das Potentiometer P1 ist in Abhängigkeit vom Motor M eingestellt und braucht nur dann nachgestellt zu werden, wenn der Motor M durch einen unterschiedlichen Motor ersetzt wird.

Die 15-V-Speisespannung, die man für das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 benötigt, wird beispielsweise von einer gleichgerichteten und geglätteten Wechselspannung geliefert, die man vom Netz 50 erhält. Als Gleichspannungsquelle kann man auch eine Batterie oder eine Kombination aus der Batterie und einer vom Netz gespeisten Gleichrichterschaltung verwenden.

Es wurde bereits erwähnt, daß das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 die Möglichkeit bereitstellt, den Betrieb auch in einem zweiten Quadranten durchzuführen«, Die Linie 13' in der Fig. 4 stellt dann die Test- oder Prüfgleichung dar.

909846/0826

Den Betrieb im linken Quadranten mit der Linie 13* kann man "benutzen, um Stromnetze oder andere Versorgungseinrichtungen gegenüber kapazitiven Belastungen zu schützen, wobei ein Fehlerstrom den Leitungsstrom- und Phasendifferenzpunkt auf die rechte Seite der Linie 13' schiebt.

Wenn ein zweiphasiger Kurzschlußfehler auftritt, ist die Verschiebung des Punktes, der den Leitungsstrom und die Differenz in der Phase zwischen dem Leitungsstrom und der Spannung zwischen der Leitung und dem Nullpunkt darstellt, in Richtung auf die in der Fig. 4 dargestellte Leitungsstromachse darauf zurückzuführen, daß der Fehlerstrom nahezu in Phase mit der verketteten Spannung ist, d.h. der momentanen Spannung zwischen den beiden Versorgungs- oder Netzleitungen, durch die der Fehlerstrom fließt, und daß der Kurzschlußstromweg wenig Reaktanz enthält. Im Falle eines dreiphasigen symmetrisehen Kurzschlußfehlers sind die Fehlerströme, die durch jede Netzleitung fließen, nahezu in Phase mit den zugeordneten Phasenspannungen, d.h. den Spannungen zwischen den einzelnen Leitungen und dem Nullpunkt. Die meisten, wenn nicht gar alle dreiphasigen Kurzschlußfehler beginnen jedoch als zweiphasige Kurzschlußfehler, bei denen ein Kurzschluß zwischen lediglich zwei Netz- oder Versorgungsleitungen auftritt. Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 ist dennoch so ausgelegt, daß es auch symmetrische dreiphasige Kurzschlußfehler erfassen kann, und zwar deswegen, weil die Gegenwart eines solchen KurzSchlußfehlers ebenfalls die Differenz in der Phase zwischen dem Leitungsstrom und der Phasenspannung vermindert und demzufolge bewirkt, daß der beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 auftretende Arbeitspunkt bei der Darstellung nach der Fig. 4 entweder über die Linie 13 nach links oder über die Linie 13' nach rechts geschoben wird.

§09846/0826

Leerseite

Claims (16)

Dr,Ing. Wllhoira Eeioliel ' ' NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION, London, England Patentansprüche

1.) Gerät zum Abtasten von KurzSchlußfehlern in WechselstromnTersorgungsleitungen,
gekennzeichnet durch

Einrichtungen (G1, D4, Re, P1, T1) zum Abfühlen des Leitungsstromes in einer Wechselstrom-Versorgungsleitung (51) und zum Gewinnen von Signalen, die die Amplitude und Phase des beim Betrieb fließenden Leitungsstromes darstellen,

Einrichtungen (R3, D3, T2) zum Abfühlen der (zwischen den Leitungen auftretenden) verketteten Spannung oder der (zwischen der Leitung und dem Nullpunkt auftretenden) Phasenspannung und zum Gewinnen eines Signals, das die Phase der verketteten Spannung oder der Phasenspannung darstellt,

Differenzeinrichtungen (1, 2, 3, 4, R9, R10), die so angeschlossen und ausgebildet sind, daß sie die die Phasen des Stroms und der Spannung darstellenden Signale empfangen und in Abhängigkeit von ihnen ein Signal mit einem Maß erzeugen, das sich im wesentlichen direkt mit der Differenz zwischen diesen Phasen ändert, und

Einrichtungen (61, C1, R11, P2, R15), die eine Beziehung aus dem die Stromamplitude darstellenden Signal und dem von den Differenzeinrichtungen erzeugten Signal mit einer vorbestimmten Amplituden-Phasendifferenz-Beziehung vergleichen und in Abhängigkeit von diesem Vergleich ein Ausgangssignal liefern, das angibt, ob die abgetastete gegenwärtige Stromamplitude größer als die durch die vorbestimmte Beziehung für diese Differenz zwischen diesen Phasen bestimmte entsprechende Amplitude ist oder nicht.

909846/0826

2. Gerät nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Abfühlen des LeitungsStroms und zum Erzeugen der Signale, die die Amplitude und Phase des beim Betrieb fließenden Leitungsstromes darstellen, einen Stromwandlerkern und eine Sekundärwicklung (G1) enthalten, die so angeordnet ist, daß die Versorgungsleitung (51), die den abzufühlenden Leitungsstrom leitet, die Primärseite des Stromwandlers bildet.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Abfühlen der Spannung eine elektrooptische Trennanordnung (D3, T2) aufweisen, die so angeordnet und ausgebildet ist, daß sie auf die verkettete Spannung oder die Phasenspannung anspricht.

4. Gerät nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Abfühlen der Spannung so ausgebildet sind, daß sie die Phasenspannung der Versorgungsleitung abfühlen und die elektro-optische Trennanordnung eine Infrarotemissionsdiode (D3) aufweist, die zusammen mit einem Widerstand (R3) eine Reihenschaltung bildet, welche zwischen die Versorgungsleitung (51) und einen Nullpunkt (N) geschaltet ist.

909846/0826

_ 3 —

5. Gerät nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Signale Spannungssignale sind und daß die Vergleichseinrichtungen enthalten:

eine Umkehrstufe (15), die ein Signal empfängt, das die Amplitude und die Phase des abgefühlten Leitungsstromes darstellt, und die aufgrund dessen ein Ausgangssignal erzeugt, das die Amplitude des abgefühlten Leitungsstromes darstellt und gegenüber dem Signal, das der Differenz proportional ist, von entgegengesetzter Polarität ist,

einen Teiler (Pi), der das Ausgangssignal der Umkehrstufe empfängt und den Betrag dieses Ausgangssignals um einen vorbestimmten Faktor teilt, und

einen Vergleicher (16), der an den Teiler (P1) angeschlossen ist und das von den Differenzeinrichtungen (14) erzeugte Signal empfängt und der an eine Referenzspannungsquelle (P2) angeschlossen ist,, die in Übereinstimmung mit der vorbestimmten Beziehung eine Referenzspannung mit einem vorbestimmten Betrag und einer vorbestimmten Polarität liefert.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (G1, D4, R6, P1, T1) zum Abfühlen des Leitungsstromes und zum Erzeugen der entsprechenden Signale sowie die Einrichtungen (R3, D3, T2) zum Abfühlen der Spannung und zum Erzeugen des entsprechenden Signals so ausgebildet sind, daß sie im Betrieb eine erste Rechteckschwingung erzeugen, die in Phase mit dem abgefühlten Leitungsstrom ist, und eine zweite Rechteckschwingung erzeugen, die in Phase mit der verketteten Spannung oder der Phasenspannung ist.

909846/0826

7. Gerät nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzeinrichtungen Logikgatter (1, 2, 3, 4) aufweisen, die die Rechteckschwingungen empfangen und in Abhängigkeit von ihnen Logiksignale erzeugen, die zusammen die Differenz in der Phase zwischen dem abgefühlten Strom und der abgefühlten Spannung darstellen..

8. Gerät nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Logikgatter (1, 2, 3, 4) so ausgebildet sind, daß die von ihnen erzeugten Logiksignale Spannungssignale sind, deren über eine Periode gemittelte algebraische Summe sich direkt mit der Differenz in der Phase ändert.

9. Gerät nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzeinrichtungen eine Vielzahl von Summierwiderständen (R9, R10) aufweisen, die gemeinsam an einen Eingang eines Operationsverstärkers (61) angeschlossen sind, der in den Vergleichseinrichtungen enthalten ist, so daß das von den Differenzeinrichtungen erzeugte Signal ein Stromsignal ist, dessen über eine Periode gemittelter Betrag sich im wesentlichen direkt mit der Differenz in der Phase ändert.

10. Gerät nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (61) ein Differentialverstärker ist und der eine Eingang des Verstärkers ein umkehrender Eingang ist und daß eine Referenzspannungsquelle (R15, P2) mit einem nicht umkehrenden Eingang des Verstärkers (61) verbunden ist, um ihm in Übereinstimmung mit der vorbestimmten Beziehung ein Referenzsignal zuzuführen.

909846/0828

11. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikgatter (1, 2, 3, 4) vier NAND-Glieder mit jeweils zwei Eingängen aufweisen und daß diese NAND-Glieder so geschaltet sind, daß zwei (1, 2) der vier NAND-Glieder als logische Nicht-Glieder arbeiten, die mit zugeordneten Eingängen der beiden anderen NAND-Glieder (3, 4) verbunden sind.

12. Gerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Beziehung die folgende Form hat:

wobei I-r die Leitungsstromamplitude in Ampere, η ein Stromwandlerverhältnis, Rg ein Bürdenwiderstand in Ohm, m eine dimensionslose Konstante, K eine weitere Konstante in Volt pro Grad, <j) die Phasendifferenz zwischen der Phase der Spannung

und des Leitungsstroms in Grad und J eine Phasenkonstante in Grad

13. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (54, 55, 56) vorhanden sind, die wenigstens die Versorgungsleitung (51) aufgrund des Ausgangssignals unterbrechen, wenn dieses angibt, daß die abgefühlte Stromamplitude größer als die genannte entsprechende Amplitude ist, und daß die Unterbrechungseinrichtungen (54, 55, 56) an die Vergleichseinrichtungen (61, C1, R11, P2) angeschlossen sind, um das Ausgangssignal zu empfangen.

903846/0826

14. Gerät zum Unterbrechen dreiphasiger Versorgungsleitungen beim Auftreten von Kurzschlußfehlern, gekennzeichnet durch

Einrichtungen zum Abfühlen jedes Leitungsstromes und zum Gewinnen von Signalen, die die Amplituden und Phasen der beim Betrieb fließenden abgefühlten Leitungsströme darstellen,

Einrichtungen zum Abfühlen der verketteten Spannungen

oder der Phasenspannungen der Versorgungsleitungen und zum Erzeugen von Signalen, die die Phasen der verketteten Spannungen oder der Phasenspannungen darstellen,

Differenzeinrichtungen, die so angeschlossen und ausgebildet sind, daß sie die Signale empfangen, die die genannten Phasen darstellen, und in Abhängigkeit davon drei Signale erzeugen, von denen jedes ein Maß aufweist, das sich im wesentlichen direkt mit der Differenz in der Phase zwischen dem jeweiligen Leitungsstrom und der jeweiligen verketteten Spannung oder Phasenspannung von einer zugeordneten der drei Phasenleitungen ändert,

Einrichtungen (61, C1, R11, P2), die für jede Phasenleitung eine Beziehung aus jeweils einem der Signale, die die abgefühlten Stromamplituden darstellen, und jeweils einem entsprechenden Signal der Signale, die die Differenzeinrichtungen liefern, mit einer vorbestimmten Amplituderi-Phasendifferenz-Beziehung vergleichen und in Abhängigkeit davon ein Ausgangssignal erzeugen, das angibt, ob eine oder mehrere der abgetasteten Stromamplituden größer als die durch die vorbestimmte Beziehung für die genannten Differenzen in der Phase zwischen dem jeweiligen Leitungsstrom und der jeweiligen verketteten Spannung oder Phasenspannung bestimmten entsprechenden Amplituden sind oder nicht, und

Einrichtungen (54, 55, 56), die in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal, wenn dieses angibt, daß eine oder mehrere der abgefühlten Stromamplituden größer als die genannten entsprechenden Amplituden sind, die drei Versorgungsleitungen unterbricht, wobei die Unterbrechungseinrichtungen (54, 55, 56) an die Vergleichseinrichtungen (61, C1, R11, P2) angeschlossen sind, um das genannte Ausgangssignal zu empfangen.

9846/0826

15* Gerät nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, daß Übersteuerungseinrichtungen (R19, C2, R20) vorhanden sind, die die Einrichtungen zum Abfühlen des Leitungsstromes oder (Jedes Leitungsstromes mit den Einrichtungen (54, 55, 56) zum Unterbrechen der Phasenleitung oder jeder Phasenleitung so verbinden, daß, falls die abgefühlte Stromamplitude oder eine oder mehrere der abgefühlten Stromamplituden einen vorbestimmten Wert überschreitet, die Übersteuerungseinrichtungen (R19, C2, R20) die Unterbrechungseinrichtungen (54, 55, 56) betätigen, bevor das Ausgangssignal, das die abgefühlte Stromamplitude oder eine oder mehrere der abgefühlten Stromamplituden darstellt, größer als die entsprechende Amplitude oder Amplituden ist.

16. Gerät nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Abfühlen Jedes Leitungsstromes und zum Erzeugen der Signale, die die abgefühlten Stromamplituden und Stromphasen darstellen, drei Stromwandlerkerne mit entsprechenden Sekundärwicklungen aufweisen, daß jeder der Kerne einer der drei Phasenleitungen (51, 52, 53) so zugeordnet ist, daß die Phasenleitung zusammen mit der Sekundärwicklung den Stromwandler bildet, daß an jede der Sekundärwicklungen der Kerne eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (R„) und einer Diodenbrücke (DtJ in einer solchen Weise angeschlossen ist, daß für den kleinstmöglichen Strom, der in der Sekundärwicklung fließen kann, an der Reihenschaltung infolge der Vorwärtsspannungsabfälle an mehreren der Dioden eine Spannung mit einem rechteckförmigen Schwingungsverlauf abfällt, daß die Einrichtungen zum Abfühlen der Spannungen und Erzeugen der Signale, die die Phasen der Spannungen darstellen, drei elektro-optische Trennanordnungen aufweisen, von denen jede eine Infrarotemissionsdiode (D₁, D₂, D-x) enthält, die in Reihe mit einem Kondensator (C3, C4, C5) und einem Widerstand (R1, R2, R3) geschaltet ist und mit einer Elektrode mit einem Nullpunkt (N) verbunden ist, und daß die Impedanz der drei Reihenschaltungen, die aus den Infrarotemissionsdioden (D₁, D₂, D,), den ent-

909846/0826

sprechenden Kondensatoren (C3, C4, C5) und den entsprechenden Widerständen (R1, R2, R3) gebildet sind, so gewählt ist, daß bei Sternschaltung der drei Reihenschaltungen und Anschluß an die drei Phasenleitungen die Infrarotemissionsdioden während Halbperioden gleicher Polarität der betreffenden verketteten Spannungen eine Strahlung emittieren.

909846/0828