DE3642136A1

DE3642136A1 - Elektronischer ausloeser fuer kurzschlussstrombegrenzende schalter

Info

Publication number: DE3642136A1
Application number: DE19863642136
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Spindler; Herbert Dr Ing Meyer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: AEG Niederspannungstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1986-12-10
Filing date: 1986-12-10
Publication date: 1988-06-23
Also published as: DE3642136C2; DE3642136C3

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Auslöser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Schalter haben die Aufgaben, so früh wie möglich Überströme, ins besondere Kurzschlußströme, zu erkennen und abzuschalten, um die thermische und dynamische Belastung der zu schützenden Anlagen auf ein Minimum zu ver ringern.

Hierfür sind Schalter mit magnetischen Überstromauslösern in Gebrauch, die aber entweder nur auf die Höhe des Augenblickswertes des Stromes oder nur auf die Stromsteilheit ansprechen. Dabei sind die letztgenannten praktisch nur bei Gleichstrom verwendbar. Die in diesen Geräten eingesetzten Meß sensoren wie Magnetspulen oder Stromwandler benötigen meistens viel Platz und sind normalerweise nur durch aufwendige Eichverfahren an die zulässigen Betriebsströme anpaßbar.

Aus der DE-PS 28 00 076 ist ein strombegrenzender Schalter mit einer elektronischen Steuerschaltung bekannt, bei dem zur Schnellöffnung des Schalters eine Spule mit einer davor liegenden Scheibe vorgesehen sind, wobei zur Speisung der Spule ein Energiespeicher dient. Um die bei der Kontaktöffnung im Kurzschlußfall auftretenden heftigen Stöße, d. h. den mechanischen Verschleiß, herabzusetzen, wird der Energiespeicher in zwei Teilen aufgebaut. Der eine Teil des Energiespeichers wird zur Öffnung des Schalters im normalen Betrieb und beide Teile im Kurzschluß auf die elek tronische, dynamische Antriebsordnung geschaltet. Trotzdem bleibt eine hohe mechanische Beanspruchung bestehen.

Weiterhin sind elektronische, dynamische Auslöser auch schon bei Schnell schaltern bekannt. Die eingangs erwähnten platzbeanspruchenden Meßsen soren sind als Mängel zu erwähnen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektronischen Schalter der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der trotz kleiner Bauabmessungen einen Schutz in Wechsel- und Drehstrom-Anlagen gegen Überströme und Kurzströme unbegrenzter Höhe bietet.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennnzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Hiermit wird ein einfacher und platzsparender Auslöser geschaffen, mit dem eine Auslösung und Ausschaltung bei wesentlich kleineren Strömen als mit konventionellen Auslösern erzielt wird. Die Ausschaltung wird er leichtert, weil die z. B. im Lichtbogen umzusetzende magnetische Energie mit dem Quadrat des Stromes steigt. Ferner wird die thermische und dyna mische Belastung der zu schützenden Anlage und des Schalters verringert, weil auch sie sich mit dem Quadrat des Stromes verringert. Das bedeutet aber, daß mit kleineren Schaltern ein größerer Anlagenschutz erzielt wird.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.

In der Zeichnung sind mögliche Arbeitsweisen und der prinzipielle Aufbau eines Auslösers nach der Erfindung dargestellt.

Fig. 1-3 zeigen grafische Darstellungen des zeitlichen Verlaufes des Einschaltstromes und der Stromsteilheit als Funktion des Stromes bei verschiedenen cosϕ-Werten und Einschaltzeit punkten,

Fig. 4 zeigt eine mögliche Ansprech-Grenzkurve eines Auslösers und

Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau eines solchen Auslösers.

Bei der Betrachtung der Fig. 1 bis 4 wird beispielsweise ein elektro nischer Auslöser für einen Motorschutzschalter für 100 A Nennstrom ange nommen, dessen Auslöser ansprechen soll, wenn I _eff<1200 A wird und cosϕ=0,2 . . . 0,95 beträgt.

In den Fig. 1 bis 3 wurden zugunsten einer übersichtlichen Darstellung nur die Einschaltzeitpunkte t _ein=0 . . . 10 ms nach dem positiven Spannungs- Nulldurchgang betrachtet.

In den Fig. 1 bis 3 sind für I _eff=1200 A beispielsweise dargestellt

a) der Stromverlauf über der Zeit i=f (t) und
b) die Stromsteilheit über dem Augenblickswert des Stromes di/dt=f (i)

unter folgenden Bedingungen:

Fig. 1: Einschaltung im umgünstigsten Einschaltzeitpunkt, nämlich im Spannungs-Nulldurchgang, bei cos d=0,2. Der Scheitelwert des Stromes i (Stromsteilheit di/dt=0) hat hier sein Maximum, nämlich

d. h.:i _max = · I _eff · cos = 0,2
i _max = · 1200 · 1,56 = 2640 A

Für einen nur stromabhängigen Auslöser wäre das der Ansprech grenzstrom. Erst bei noch größeren Stromwerten muß er auslösen. Ein gleich großer und kleinere Stromwerte dürfen nicht zur Aus lösung führen, weil sie betriebsmäßig, z. B. beim Motoranlauf, auftreten können.

Fig. 2: Einschaltung im günstigsten Einschaltzeitpunkt, nämlich im Strom-Nulldurchgang, bei cosϕ=0,3. Da hier kein Ausgleichsglied auftritt, entspricht der Stromver lauf völlig dem stationären Zustand, d. h.: dem eingeschwungenen Zustand nach Abklingen des Ausgleichsgliedes. Der weitere Stromverlauf beim Anlauf des Motors wird hier nicht betrachtet.

Fig. 3: Einschaltung in dem Zeitpunkt, in dem die höchste Stromsteil heit im Augenblick des Stromflußbeginnes auftritt, nämlich im Maximum der Spannung, 5 ms nach ihrem Nulldurchgang, bei cosd=0,95.

Die Fig. 1 und 3 zeigen die Extrema, die sich bei I _eff=1200 A, cosϕ= 0,2 . . . 0,95 und Einschaltzeitpunkten von 0 bis 10 ms nach dem positiven Spannungs-Nulldurchgang ergeben. Zur Erfassung aller Einschaltzeitpunkte von 0 bis 20 ms nach dem positiven Spannungs-Nulldurchgang sind in den Fig. 1b und 3b die Kurven di/dt=f (i) sowohl an der Ordinate als auch an der Abszisse zu spiegeln. Das Ergebnis ist in Fig. 4 dargestellt.

Alle Kurven di/dt=f (i), die unter den gemachten Voraussetzungen auftreten können, liegen innerhalb der so gewonnenen Hüllkurve. Diese Hüllkurve definiert also die Ansprechgrenze des Auslösers durch die Vorgabe der noch zulässigen Werte der Stromsteilheit in bezug auf den Augenblickswert des Stromes bzw. durch die Vorgabe der noch zulässigen Augenblickswerte in bezug auf die Stromsteilheit. Alle Wertepaare aus Stromsteilheit und Augenblickswert des Stromes, die außerhalb der Hüllkurve liegen, führen zur unverzögerten Auslösung.

Die Hüllkurve kann in einem elektronischen Auslöser nachgebildet oder als mathematische Funktion mit beliebig großer Genauigkeit angenähert werden. Eine einfache Möglichkeit wäre z. B. ein Rechteck, dessen Seitenlängen durch die positiven und negativen Maximalwerte der Stromsteilheit bzw. des Augenblickswertes des Stromes bestimmt werden. Dabei würde sich allerdings die Ansprechgenauigkeit verringern, weil die in Fig. 4 dargestellte Kurve die hohe Stromsteilheit bei Stromflußbeginn berücksichtigt, die sich bei Einschaltung des Stromes von I _eff=1200 A mit cosϕ=0,95 im Spannungs- Scheitelwert ergibt.

Gerade bei dem hier beispielsweise gewählten Auslöser für einen Motor schutzschalter mit einem Ansprechwert des Kurzschlußauslösers von 1200 A kann angenommen werden, daß der Motoranlaufstrom einen wesentlich kleineren cosϕ hat. Praktisch kann hier mit cosϕ-Werten unter 0,5 gerechnet werden. Dadurch würde sich die maximale Stromsteilheit bei i=0 von etwa 1700 A/ms auf etwa 600 A/ms verringern und die Empfindlichkeit des Auslösers könnte entsprechend erhöht werden. So könnte die Ansprech- Grenzkurve beispielsweise auch durch die Funktion einer Ellipse bzw. eines Kreises angenähert werden.

Mit dem Auslöser gemäß Fig. 5 können mit einer Sampling Rate von bei spielsweise 10 Mikrosekunden größere Kurzschlußströme (über etwa 500 A) bereits bei der ersten Messung als solche erkannt und schon bei Strom- Augenblickswerten von weniger als 300 A der Auslösebefehl gegeben werden.

Mit R, S und T sind die Phasen eines Netzes bezeichnet. In jeder Phase ist als Sensor ein Stromwandler 1, 2, 3 z. B. eine Rogowski-Spule vorge sehen, mit dem die Stromsteilheit di/dt erfaßt wird und zwar in regel mäßigen kurzen Zeitabständen (sampling rates), beispielsweise in 10 µs. Die di/dt-Werte werden in A/D-Wandler 4, 5, 6 digitalisiert und einem Mikro- oder Signalprozessor 7 zugeführt.

Die digitalisierten Stromsteilheiten di/dt werden in Multiplizierern 8, 9, 10 mit den Zeitwerten (sampling rates) multipliziert und aus diesen Produkten in den Bauelementen 11, 12, 13 die dazugehörigen Strom- Augenblickswerte i errechnet. Somit kann aus den erfaßten Stromsteil werten durch permanente Integration der Strom errechnet werden nach der Gleichung

i _t + Δ t = i _t + (di/dt) · Δ t

In weiteren Bausteinen 14, 15, 16, die die Auslösekennlinien enthalten und denen die Stromsteilheiten di/dt und die errechneten Stromwerte i zu geführt werden, wird der Vergleich der gemessenen bzw. errechneten Werte mit den Auslöse-Grenzdaten vorgenommen. Die Ausgangssignale gehen einem Rechner 17 zu, der eine unverzögerte Auslösung des Schutzschalters über eine Auslösespule 18, z. B. einer Thomsonspule, veranlaßt, wenn Schwell werte, die aus der Funktion von Strom und Stromsteilheit gebildet werden, überschritten werden. Das Symbol 1 im Rechner 17 bedeutet, daß schon das Ansprechen einer der drei Phasenschaltungen bzw. deren Funktion zur Auslösung führt. Über die Auslösespule 18 werden die Schaltkontakte 19 in den Phasenleitungen R, S, T geöffnet und die zu schützende Anlage ab geschaltet.

Der elektronische Auslöser läßt sich vorteilhaft auch zum Schutz von Asynchronmotoren einsetzen, bei denen zunehmend Stromüberhöhungen beim Anlauf durch Eisensättigung auftreten. Dadurch bilden sich im Stromver lauf größere Stromsteilheiten bei höheren Strom-Augenblickswerten aus. Um diese sättigungsbedingten größeren di/dt-Werte noch zuzulassen, muß die üblicherweise vorgegebene Kennlinie in einem bestimmten Strombereich, z. B. i<1500 A, angehoben werden. Damit können Rushspitzen relativ ein fach berücksichtigt und gleichzeitig eine wesentliche Vereinfachung in der Vorgabe des Auslösekriteriums im Hinblick auf den Prozessor-Aufbau erzielt werden.

Praktisch kann dieses dadurch verwirklicht werden, daß mehrere Auslöse kennlinien in den Bausteinen 14 bis 16 der Fig. 4 mit unterschiedlichen Auslösewerten vorgesehen werden. Hierdurch wird eine verzögerte Auslösung bei mehrmaligem Überschreiten des weiteren Schwellenwertes des Stromes oder der Stromsteilheit erzielt. Die Verzögerung kann mit bekannten Verzögerungs gliedern erreicht werden.

Bei Einsatz mehrpoliger Schalter kann darüber hinaus eine unverzögerte oder verzögerte Auslösung erfolgen, wenn die Summe der Ströme oder der Stromsteilheiten von Null abweicht. Damit kann ein Phasenausfallschutz gewährleistet werden.

Wenn dagegen als Auslösekriterium die Summe der Ströme oder der Strom steilheiten gleich Null verwendet wird, wäre auch ein Fehlerstromschutz realisierbar. Hierfür könnte ein weiterer Summierer vor den Multiplizierern 8 bis 10 in der Anordnung nach Fig. 5 dienen.

Um den Auslöseimpuls zu verstärken, kann ein geladener Kondensator über einen Operationsverstärker auf die Spule des Schnellauslösers, z. B. Thomsenspule, entladen werden, wobei ein Kurzschlußring direkt die Kontakte aufschlägt.

Schließlich ist eine interessante Verwendung des Anmeldungsgegenstandes bei elektronischen Schaltern dadurch möglich, daß eine schnelle Löschung des Halbleiters im Pol des Schalters durch Gegenstrom erfolgen kann. Dieser wird durch Entladung eines Kondensators, eingeleitet durch den Auslöseimpuls, erzeugt.

Claims

1. Elektronischer Auslöser für kurzschlußstrombegrenzende elektrische Schalter zur raschen Erkennung von Überströmen, vorzugsweise Kurzschluß strömen in Wechselstromnetzen, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Haupt strombahn Sensoren zur Erfassung der Stromsteilheit in regelmäßigen kurzen Zeitabständen vorgesehen sind (sampling rate), daß über A/D-Wandler die Meßwerte digitalisiert werden, daß aus den digitalisierten Meßwerten in nachgeschalteten Mikro- oder Signalprozessoren der Strom durch Summation der Produkte aus Stromsteilheit und konstanter Zeit errechnet wird und daß bei Überschreitung eines vorgegebenen Schwellenwertes eine unver zögerte Auslösung des Schalters erfolgt.

2. Elektronischer Auslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unverzögerte Auslöseimpuls über einen Verstärker die Entladung eines Kondensators auf die Spule eines Schnellauslösers (z. B. Thomsonspule) freigibt, dessen reaktives Element (z. B. ein Kurzschlußring) direkt die Kontakte der Hauptstrombahn aufschlägt.

3. Elektronischer Auslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß in einem zweiten Vergleich bei Überschreitung kleinerer Schwellenwerte des Stromes oder der Stromsteilheit ein Verzögerungsglied erst nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Über schreitungen der kleineren Schwellenwerte den Auslöseimpuls gibt.

4. Elektronischer Auslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in mehrpoligen Schaltern die Summe der Stromsteilheits-Werten gebildet und bei Abweichung der Summe vom Wert Null der Auslöseimpuls gegeben wird.

5. Elektronischer Auslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Halbleiterschaltern die Ausschaltung durch Gegenstrom bewirkt wird, der durch eine durch den Auslöseimpuls eingeleitete Entladung eines Kon densators erzeugt wird.