DE3642136C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen di/dt-Auslöser gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

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

Aus den CALOR-EMAG-MITT., 1963, H. 1/2, S. 42-55, ist ein Verfahren für die di/dt-Auslösung in Wechsel- und Drehstrom­ netzen bekannt, mit dem die Auslösung nach Überschreitung eines Schwellenwertes der Stromsteilheit erfolgt. In diesem Verfahren wird die Stromsteilheit der Augenblickwerte des Kurzschluß­ stromes innerhalb eines einge­ schränkten Meßbereiches ausgewertet. Lage und Breite dieses Meßbereiches in Bezug auf einen für den Kurzschlußpfad definierten An­ sprechstrom I _A bestimmen die am di/dt-Auslöser einzustel­ lende Ansprechsteilheit. Bei diesem Verfahren ist es mög­ lich, daß ein Strom mit einem kleineren Effektivwert als I _A im Meßbereich die Ansprechsteilheit überschreitet.

Deshalb ist die Einführung eines Streufaktors ks erforder­ lich, der den kleinsten Strom bestimmt, der noch zur Aus­ lösung führen kann. Der Streufaktor ist von der Lage und Breite des Meßbereiches ebenfalls abhängig. Entscheidend ist dabei die Lage der Meßbereichsgrenzen relativ zum effekti­ ven Ansprechstrom I _A bzw. zu seinem Scheitelwert î _A .

Aus der DE-OS 35 19 262 ist ein Verfahren für eine Überstrom­ auslösung mit einem elektronischen Auslöser bekannt, bei dem in Abhängigkeit von der Größe und Dauer eines Überstromes ein Auslösesignal erzeugt wird. Um bei schwindendem Über­ strom eine Fehlauslösung zu verhindern, wird der Differenzen- oder Differentialquotient der Meßgröße bei der Auswertung berücksichtigt.

Ein aus der DE-OS 15 13 283 bekannter Auslöser spricht auf Überlast dadurch an, daß in Abhängigkeit von Größe und Dauer eines Überstromes ein Kondensator geladen wird, und daß bei einer bestimmten Kondensatorspannung die Auslösespule des Leistungsschalters aktiviert wird. Die Aufladung des Kondensators wird von einem Verzögerungsglied gesteuert, das bei kleineren Überlastströmen die Kondensatorladung verzö­ gert.

di/dt-Auslöser können statt auf elektromechanische Lei­ stungsschalter auch auf Thyristoren einwirken. Unabhängig von dem hier aufgezeigten Anwendungsfall ist es allgemein be­ kannt, daß die Ausschaltung von Thyristoren mit Löschkon­ densatoren durchgeführt werden kann ("Grundlagen der Lei­ stungselektronik", Teubner-Verlag, 1978, 2. Aufl., Seite 117-119).

In der DE-AS 28 41 009 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Fehler- und/oder Fehlerrichtungsdetektion beschrieben.

In diesem Verfahren werden Strom- und Spannungsabweichungen gegenüber dem fehlerfreien Strom- und Spannungsverlauf er­ faßt und zur Fehlerdetektion mindestens einer der Abwei­ chungswerte mit einer Grenzwertfunktion verglichen, die aus beiden Abweichungswerten gebildet ist. In einer Auswertungs­ variante dieses Verfahrens wird aus den Abweichungswerten von Strom und Spannung über eine rationale Funktion ein Kombinationswert einem Grenzwertvergleich, vorzugsweise mit einem festen Grenzwert, unterzogen. Die aus den Strom- und Spannungsabweichungen gebildete Grenzwertfunktion verläuft, bezogen auf eine Darstellung in einem Koordinatensystem, dessen Koordinaten durch die Strom- und Spannungsabwei­ chungen gebildet sind, wenigstens abschnittsweise unter einem Neigungswinkel (a) gegen eine der Koordinatenachsen sowie mit Abstand vom Koordinaten-Nullpunkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen di/dt-Auslöser für in Wechsel- oder Drehstromanlagen eingesetzte Leistungsschalter zu schaffen, der trotz kleiner Bauabmessungen gegen alle in der Praxis auftretenden Über- und Kurzschlußströme ausreich­ end Schutz bietet.

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

Hiermit wird ein einfacher und platzsparender Auslöser ge­ schaffen, mit dem eine Auslösung und Ausschaltung bei we­ sentlich kleineren Strömen als mit konventionellen Auslösern erzielt wird. Die Ausschaltung wird erleichtert, weil die z. B. im Lichtbogen umzusetzende magnetische Energie mit dem Quadrat des Stromes steigt. Ferner wird die thermische und dynamische Belastung der zu schützenden Anlage und des Schal­ ters 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 prin­ zipielle Aufbau eines Auslösers nach der Erfindung darge­ stellt.

Fig. 1-3 zeigen grafische Darstellungen des zeitlichen Ver­ laufes des Einschaltstromes und des Verlaufes der Stromsteilheit als Funktion dieses Stromes bei verschiedenen cosϕ-Werten und Einschaltzeitpunkten.

Fig. 4 zeigt den Verlauf einer möglichen Schwellenwert­ funktion eines Auslösers und

Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau eines solchen Auslösers.

Bei der Betrachtung der Fig. 1 bis 4 wird beispielsweise ein elektronischer Auslöser für einen Motorschutzschalter für 100 A Nennstrom angenommen, 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 ungünstigsten Einschaltzeitpunkt, nämlich im Spannungs-Nulldurchgang, bei cosϕ = 0,2. Der Scheitelwert des Stromes i (Stromsteilheit di/dt = 0) hat hier sein Maximum, nämlich

i _max = · I _eff · · cosϕ
d. h. i _max = · I _eff · 1,56 = 2640 A

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

Fig. 2 Einschaltung im günstigsten Einschaltzeitpunkt, nämlich im Strom-Nulldurchgang. Da hier kein Ausgleichsglied auftritt, entspricht der Stromverlauf 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 Stromsteilheit im Augenblick des Stromflußbeginns auftritt, nämlich im Maximum der Spannung, 5 ms nach ihrem Nulldurchgang, bei cosϕ = 0,95.

Die Fig. 1 und 3 zeigen die Extrema, die sich bei I _eff = 1200 A, cosϕ = 0,2...0,95 und Einschaltzeitpunkten 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 Voraus­ setzungen auftreten können, liegen innerhalb der so gewonnenen Hüllkurve (Schwellenwertfunktion). 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 des Stromes in bezug auf die Stromsteilheit.

Alle Wertepaare aus Stromsteilheit und Augenblickswert des Stromes, die außerhalb der Hüllkurve liegen, führen zur un­ verzögerten Auslösung.

Die Hüllkurve kann in einem elektronischen Auslöser nachge­ bildet 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 Stromsteil­ heit bei Stromflußbeginn berücksichtigt, die sich bei Ein­ schaltung des Stromes von I _eff = 1200 A mit cosϕ = 0,95 im Spannungs-Scheitelwert ergibt.

Gerade bei dem hier beispielsweise gewählten Auslöser für einen Motorschutzschalter mit einem Ansprechwert des Kurz­ schlußauslösers von 1200 A kann angenommen werden, daß der Motoranlaufstrom einen wesentlich kleineren cosϕ hat. Prak­ tisch 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 Empfind­ lichkeit 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 beispielsweise 10 Mikrosekunden größere Kurzschlußströme (über etwa 500 A) bereits bei der ersten Messung als solche erkannt und es kann 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 vorgesehen, mit dem die Stromsteilheit di/dt erfaßt wird, und zwar in regelmäßigen kurzen Zeitab­ ständen (sampling rates), beispielsweise in 10 µs. Die di/dt- Werte werden in A/D-Wandlern 4, 5, 6 digitalisiert und einem Mikro- oder Signalprozessor 7 zugeführt.

Die digitalisierten Stromsteilheiten di/dt werden in Multipli­ zierern 8, 9, 10 mit den Zeitwerten (sampling rates) multi­ pliziert und aus diesen Produkten in den Bauelementen 11, 12, 13 die dazugehörigen Strom-Augenblickswerte i errechnet. Somit kann aus den erfaßten Stromteilwerten 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 er­ rechneten Stromwerte i zugeführt werden, wird der Vergleich der gemessenen bzw. errechneten Werte mit den Auslöse-Grenz­ daten vorgenommen. Die Ausgangssignale gehen einem Rechner 17 zu, der eine unverzögerte Auslösung des Schutzschalters über eine Auslösespule 18, z. B. eine Thomsonspule, ver­ anlaßt, wenn Schwellenwerte, die aus der Funktion von Strom und Stromsteilheit gebildet werden, überschritten werden. Das Symbol 1 im Rechner 17 bedeutet, daß schon das An­ sprechen einer der drei Phasenschaltungen bzw. deren Funk­ tion zur Auslösung führt. Über die Auslösespule 18 werden Schaltkontakte 19 in den Phasenleitungen R, S, T geöffnet und die zu schützende Anlage abgeschaltet.

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

Praktisch kann dieses dadurch verwirklicht werden, daß mehrere Auslösekennlinien in den Bausteinen 14 bis 16 der Fig. 4 mit unterschiedlichen Auslösewerten vorgesehen werden. Hier­ durch wird eine verzögerte Auslösung bei mehrmaligem Über­ schreiten des weiteren Schwellenwertes des Stromes und der Stromsteilheit erzielt. Die Verzögerung kann mit bekannten Verzögerungsgliedern 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 ab­ weicht. Damit kann ein Phasenausfallschutz gewährleistet werden.

Wenn dagegen als Auslösekriterium die Summe der Ströme oder der Stromsteilheiten gleich Null verwendet wird, wäre auch ein Fehlerstromschutz realisierbar. Hierfür könnte ein wei­ terer Summierer vor den Multiplizierern 8 bis 10 in der Anord­ nung nach Fig. 5 dienen.

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

Schließlich ist eine interessante Verwendung des Anmeldungs­ gegenstandes bei elektronischen Schaltern dadurch möglich, daß eine schnelle Löschung des Halbleiters durch Gegenstrom erfolgen kann. Dieser wird durch Ent­ ladung eines Kondensators, eingeleitet durch den Auslöseim­ puls, erzeugt.

Claims (6)

1. di/dt-Auslöser für kurzschlußstrombegrenzende Schalter zur raschen Erkennung von Überströmen, vorzugsweise Kurz­ schlußströmen, in Wechselstrom- und Drehstromnetzen, da­ durch gekennzeichnet, daß in jeder Hauptstrombahn ein Sensor (1, 2, 3) zur Messung der Stromsteilheit in regelmäßigen kurzen Zeitabständen vorgesehen ist, daß über A/D-Wandler (4, 5, 6) die Meßwerte digitalisiert werden, daß aus den digitalisierten Meßwerten in nachgeschalteten Mikro- oder Signalprozessoren (8 bis 17) der Augenblickswert des Stromes jeder Hauptstrombahn durch Summation der Produkte aus Strom­ steilheit und konstantem Zeitintervall errechnet wird, daß ein aus den Augenblickswerten von Strom und Stromsteilheit gebildetes Wertepaar mit einer vorgebbaren, Strom und Strom­ steilheit miteinander verknüpfenden Schwellenwertfunktion verglichen wird, und daß bei Überschreitung des von der Schwellenwertfunktion vorgegebenen, zulässigen Bereiches durch das ermittelte Wertepaar eine unverzögerte Auslösung des Schalters erfolgt.

2. di/dt-Auslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen eines zulässigen Wertepaares dieses Werte­ paar einem weiteren Vergleich mit einer anderen Schwellen­ wertfunktion unterzogen wird, die kleinere Werte von Strom und Stromsteilheit miteinander verknüpft, und daß bei Über­ schreitung dieser Schwellenwertfunktion ein Verzögerungs­ glied erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Überschrei­ tungen den Auslöseimpuls gibt.

3. di/dt-Auslöser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verlauf der Schwellenwertfunktion in einem rechtwinkligen Koordinatensystem, dessen einer Koordinate die Augenblickswerte des Stromes und dessen anderer Koordinate die Augenblickswerte der Stromsteilheit zugeordnet sind, ellipsen- oder kreis- oder rechteck- oder spiralförmig ist.

4. di/dt-Auslöser für kurzschlußstrombegrenzende Schalter zur raschen Erkennung von Überströmen, vorzugsweise Kurz­ schlußströmen, in Wechselstrom- und Drehstromnetzen, da­ durch gekennzeichnet, daß in jeder Hauptstrombahn eines mehrpoligen Schalters ein Sensor (1, 2, 3) zur Messung der Stromsteilheit in regelmäßigen kurzen Zeitabständen vorge­ sehen ist, daß über A/D-Wandler (4, 5, 6) die Meßwerte di­ gitalisiert werden, daß aus den digitalisierten Meßwerten in nachgeschalteten Mikro- oder Signalprozessoren die Summe der Stromsteilheits-Werte gebildet und bei Abweichung der Summe vom Wert Null der Auslöseimpuls gegeben wird.

5. di/dt-Auslöser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslöseimpuls über einen Verstärker die Entladung eines Kondensators auf die Spule (18) eines Schnellauslösers (z. B. Thomsonspule) freigibt, dessen re­ aktives Element (z. B. ein Kurzschlußring) direkt die Kon­ takte der Hauptstrombahn aufschlägt.

6. di/dt-Auslöser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Halbleiterschaltern die Ausschaltung durch Gegenstrom bewirkt wird, der durch eine durch den Auslöseimpuls eingeleitete Entladung eines Kondensators erzeugt wird.