DE3785583T2 - Stromdetektor. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stromdetektor und bezieht sich insbesondere auf einen Stromdetektor, der zum Schutz und Messen von AC-Leistungsleitungen anwendbar ist.
• Aus der US-A-4 325 096 ist ein Nullphasen-Stromumformer zur Verwendung als Leckstromerfassungselement in einem Leckstromunterbrecher bekanntgeworden, bei dem zwei magnetische Materialien mit verschiedenen Permeabilitäten vorgesehen sind, um einen Bereich zu eliminieren, bei dem der Leckstromunterbrecher nicht ohne eine Verschlechterung der Fähigkeit der Unterscheidung von Rauschkomponenten arbeiten kann.
• Aus den Patentabstracts von Japan, Vol. 10, Nr. 192 (E-417) 2248 5. Juli 1986; JP-A 61 39512 ist ein Stromumformer vom Rückkopplungstyp bekanntgeworden. Die Kerne des Stromumformers sind durch magnetische Materialien ausgebildet, welche unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise weist eines der magnetischen Materialien eine niedrige magnetische Flußdichte auf und wird für einen Haupststromformerkern verwendet, und das weitere magnetische Material weist eine hohe gesättigte magnetische Flußdichte auf und wird für einen Hilfsstromumformer verwendet.
• Aus der US-A-4 454 557 ist ein nichtlinearer Wechselsstromwandler bekanntgeworden, der einen Stromumformerkern mit einem Joch zur Aufnahme eines Leiters und einer zweiten Windung aufweist. Das Joch weist einen Luftspalt auf mit einer Struktur derart, daß ein nichtlinearer magnetischer Schaltungsresponse auf Änderungen des Stromes über den Leiter zur Verfügung gestellt wird. Der nichtlineare magnetische Schaltungsresponse liefert einen logarithmischen Spannungsausgang über der zweiten Windung.
• In Fig. 3 ist ein typisches Ein-Leitungs-Schaltungsblockdiagramm einer herkömmlichen Schutz- und Meßschaltung mit einer Anordnung von an sich bekannten Vorrichtungen dargestellt. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf eine Leitung der drei Phasen-AC-Leistungsleitungen. In dieser Figur ist ein Schaltungsunterbrecher 1000 zum Schutz einer Leistungsleitung 10 und einer Last (z. B. ein Motor) 5000 von einem übermäßigen Fehlerstrom vorgesehen, der über die Leistungsleitung 10 fließt, und weist einen Leistungsquellenseitenanschluß 1, einen Lastseitenanschluß 3, einen Hauptkontakt 2, einen Stromumformer 21 zur Erfassung des Fehlerstromes über die Leistungsleitung 10, eine Überstromerfassungsvorrichtung 1001 zur Erfassung eines Sekundärstromes des Stromwandlers 21, eine Zeitverzögerungsschaltung 1005, welche mit einer Zeitverzögerung als Antwort auf einen Ausgangspegel der Überstromerfassungsvorrichtung 1001 und einer Auslöseeinheit 1003 arbeitet, welche den Hauptkontakt 2 als Reaktion auf ein Ausgangssignal der Zeitverzögerungsschaltung 1005 öffnet, auf.
• Es sind ein Stromumformer 24 und eine Spannungsleitung 25 zur Messung der elektrischen Quantitäten in der Leitungsleitung 10 vorgesehen. Die Sekundärschaltung des Stromumformers 24 ist mit einem an sich bekannten Wandler 2000 verbunden, der eine Meßschaltung 2001 und eine Ausgangsschaltung 2002 aufweist. Die Meßschaltung 2001 gibt verschiedenen Meßsignale reagierend auf einen Sekundärstrom des Stromumformers 24 und eine durch die Spannungsleitung 25 angelegte Spannung aus, und die Ausgangsschaltung 2002 gibt ein elektrisches Signal von beispielsweise 0-5 Volt oder 4-20 Milliampere durch Umformen der Meßsignale aus. Diese elektrischen Signale können in einer Anzeigeneinheit 3000 und einer Ausgabeeinheit 4000, die zur Überwachung vorgesehen ist, verwendet werden, so daß die Daten der elektrischen Quantitäten der Leistungsleitung gespeichert, angezeigt und überwacht werden.
• Jedoch weist die vorstehend beschriebene herkömmliche Schutz- und Meßschaltung die folgenden Nachteile auf. Der Schaltungsunterbrecher 1000 benötigt eine getrennte Meßvorrichtung, beispielsweise die Wandler 2000 für die Messung, so daß dadurch ein Schaltkreis für die Ausstattung des Schaltungsunterbrechers 1000 und der Meßvorrichtung kompliziert wird und hohe Kosten verursacht.
• Des weiteren muß die Charakteristik des Stromumformers 21 zur Erfassung eines übermäßigen Fehlerstromes linear bei einem übermäßigen Primärstrombereich sein, der Strömen entspricht, die größer sind als ein in Fig. 2 dargestellter Nennstrom IN, um den Schaltungsunterbrecher mit einer geeigneten Zeitverzögerung auszulösen. Auf der anderen Seite muß die Charakteristik des Stromumformers 24 für die Messung der Leistungsleitung 10 linear bei einem Gleichgewichtszustands-Primärstrombereich für die genaue Messung sein. Dadurch werden zwei Stromumformer mit unterschiedlichen Wandlercharakteristiken für jeweils die Erfassung des Fehlerstromes und des Gleichgewichtsstromes benötigt.
• Da des weiteren der Schaltungsunterbrecher 1000 und der Wandler 2000 getrennt voneinander angeordnet sind, ist es unmöglich, einen Internfehler des Schaltungsunterbrechers 1000 durch den Wandler 2000 zu erfassen. Demzufolge kann selbst dann, falls ein Fehler in dem Schaltungsunterbrecher 1000 auftritt, beispielsweise bei einem Zustand, bei dem der Schaltungsunterbrecher 1000 nicht die elektrische Leitung 10 oder die fast 5000 schützen kann, von einem derartigen, gefährlichen Zustand keine Notiz genommen werden.
• Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Stromdetektor zur Verfügung zu stellen, der jeweils die Erfassung eines Überstromes und eines Gleichgewichtsstromes zum Schutz und zur Messung mit einem minimalen Detektorfehler ermöglicht, und eine Miniarturisierung eines Schaltkreises bei geringem Kosten- und Sicherheitsaufwand ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch einen Stromdetektor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Ein solcher Stromdetektor weist die folgenden technischen Vorteile auf.
• Beide Detektorfehler des Überstrombereiches und des Gleichgewichtsstrombereiches sind klein, da die unterschiedlichen Typen von Eisenkernen der sekundären Stromumformer die Linearität der Stromumwandlung in den unterschiedlichen Strombereichen gewährleisten.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
• Es zeigt:
• Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispieles eines Schaltungsunterbrechers mit einem Stromdetektor entsprechend der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 eine Kurve zur Darstellung des Zeit-Strombetriebes, welche im allgemeinen bei einem Schaltungsunterbrecher benötigt wird;
• Fig. 3 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Schaltungsunterbrechungs- und Meßvorrichtung.
• Fig. 1 zeigt in einem Ein-Leitungsschaltungsblockdiagramm einen Schaltungsunterbrecher mit einem Stromdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Leistungsquellenseitenanschluß 1 und ein Lastseitenanschluß 2 sind jeweils für die Verbindung mit einer Leistungsquelle und einer Last vorgesehen. Ein Hauptkontakt 2 ist mit dem Leistungsquellenseitenanschluß 1 und dem Lastseitenanschluß 3 verbunden, und die Primärseite eines Stromumformers 21 ist über eine Leistungsleitung 10 zwischen dem Hauptkontakt 2 und dem Sekundäranschluß 3 angeordnet. Die Primärseiten der Sekundärstromumformer 22 und 23 sind in Reihe über eine Sekundärschaltung des Stromumformers 21 für die Erfassung des Überstromes und der Messung jeweils verbunden. Eine Stromerfassungseinheit 20 weist den vorstehend erwähnten Stromumformer 21, und Sekundärstromumformer 22 und 23 auf. Die Sekundäranschlüsse des Sekundärstromumformers 22 sind mit einer Überstromerfassungsschaltung 101 verbunden, und Ausgangsanschlüsse der Überstromerfassungsschaltung 101 sind mit einem Mikrocomputer 102 verbunden. Ein Ausgangssignal 116 des Mikrocomputers 102 ist mit einer Auslöseeinheit 103 verbunden, welche den Hauptkontakt 102 öffnet und somit den Schaltungsunterbrecher öffnet. Die Ausgangssignale 117 des Mikrocomputers sind mit einer Detektorschaltung 204 verbunden, welche einen inneren Fehler des Mikrocomputers 102 erfaßt. Die Ausgangssignale 118 des Mikrocomputers sind mit einer Speicherschaltung 203 verbunden, um ein Betriebsfaktorsignal auszugeben, wenn der Schaltungsunterbrecher ausgelöst ist.
• Eine Sekundärwindung des Sekundärstromumformers 23 ist mit der Meßschaltung 201 verbunden, welche Meßdaten ausgibt, und einer Eingangsschaltung 400, welche einen Eingangsanschluß 401 besitzt, der die weiteren notwendigen Meßquantitäten empfängt, ist mit der Meßschaltung 201 verbunden. Die Meßschaltung 201 und die Speicherschaltung 203 und die Detektorsschaltung 204 sind mit einem Mikrocomputer 202 derart verbunden, daß jeweils die Meßdaten, die Betriebsfaktordaten und das interne Fehlersignal des Mikrocomputers 102 eingegeben werden. Die Ausgänge des Mikrocomputers 202 sind mit einer Anzeigeeinheit 301 und einer Ausgangsschaltung 302 verbunden, welche einen Ausgangsanschluß 303 aufweist, um die Meßdaten anzuzeigen und die Betriebsfaktordaten und das interne Fehlersignal des Mikrocomputers 102 auszugeben, und diese Daten für die externe Verwendung des Schaltungsunterbrechers weiterzugeben. Eine Steuer(Schutz)einheit 100 weist die Überstromerfassungsschaltung 101 und den Mikrocomputer 102 auf, die Meßeinheit 200 weist die Meßschaltung 201, den Mikrocomputer 202, die Speicherschaltung 203 und die Detektorschaltung 204 auf. Da die Meßeinheit 200 in dem Schaltungsunterbrecher enthalten ist, ist der Installationsraum des Schaltungsunterbrechers klein, so daß die Schaltung mit dem Schaltungsunterbrecher miniaturisiert werden kann.
• Wenn bei dem vorstehend erwähnten Schaltungsunterbrecher ein Fehlerstrom über die Leistungsleitung 10 fließt, induziert die Sekundärwindung des Stromumformers 21 einen Sekundärstrom entsprechend einem Verhältnis der Stromumformung, und dadurch wird ein Primärstrom an die Sekundärstromumformer 22 und 23 angelegt. Des weiteren induzieren die Sekundärwindungen der Sekundärastromumformer 22 und 23 jeweils Sekundärströme entsprechend dem Verhältnis der Stromumformung.
• Da der Sekundärstromumformer 23 einen Ausgangsstrom an die Meßschaltung 201 zur Messung verschiedener elektrischer Quantitäten ausgeben soll, wird eine ausreichende Linearität der Stromumformung bei einem Gleichgewichtsstrombereich benötigt. Auf der anderen Seite benötigt der Sekundärstromumformer 22 eine beträchtliche Linearität der Stromumformung bei einem übermäßigen Fehlerstrombereich. Mit anderen Worten, der Sekundärstromumformer 22 zur Erfassung des Überstromes benötigt nicht die Linearität der Stromumformung bei dem Bereich, der unterhalb eines erlaubten Stromes der Leistungsleitung 10 liegt, und der Sekundärstromumformer 23 für die Messung benötigt nicht die Linearität der Stromumformung bei dem übermäßigen Fehlerstrombereich, da einderartiger übermäßiger Strom, der eine magnetische Sättigung bringt, außerhalb des Meßbereiches liegt.
• Demgemäß weist ein Eisenkern des Stromumformers 21 einen Eisenkern mit einer Lage aus der Permalloy-Familie und einen Eisenkern mit einer Stahllage aus der Siliziumfamilie auf, die einen zueinander überlappende Konfiguration aufweisen, so daß zwei Typen von Umformercharakteristik für jeweils die Sekundärstromumformer 22 und 23 vorliegen. Der Stromumformer 21 ist vom (an sich bekannten) Fenstertyp, bei dem die Leistungsleitung in einem Fenster des Umformers angeordnet ist. Falls beispielsweise ein Strom von 1000 Ampere über die Leistungsleitung 10 fließt, fließt ein Strom von 5 Ampere über die Sekundärwindung des Stromumformers 21. Das bedeutet, daß das Verhältnis der Stromumformung 1000:5 beträgt.
• Der Sekundärstromumformer 22 stellt einen allgemein bekannten Kerntyp daß(im allgemeinen wird ein El-Kern verwendet), der aus einer Stahllage der Siliziumfamilie zusammengesetzt ist. Falls der Sekundärstrom des Stromumformers 21 mit einem Strom von beispielsweise 5 Ampere über eine Primärseite des Sekundärstromumformers 22 fließt, flieht ein Strom von 100 Milliampere über die Sekundärwindung des Sekundärstromumformers 22 und der Überstromerfassungsschaltung 101. Dies bedeutet, daß das Verhältnis der Stromumformung 5 : 0,1 beträgt. Der Sekundärstromumformer 23 ist von einem allgemein bekannten toroidalen Typ, der aus einem bandförmigen Eisenkern der Permalloy-Familie zusammengesetzt ist. Falls der Sekundärstrom des Stromumformers 21 mit einem Strom von beispielsweise 5 Ampere über eine Primärseite des Sekundärstromumformers 23 fließt, flieht ein Strom von 50 Milliampere über die Sekundärwindung des Sekundärstromumformers 23 und die Meßschaltung 201. Dies bedeutet, daß das Verhältnis der Stromumformung 5 : 0,05 beträgt. Der Eisenkern der Stahl-Lage der Siliziumfamilie weist eine niedrige Permeabilität auf, und dem zufolge benötigt dieser einen relativ groben Anregungsstrom. Demgemäß wird die Linearität der Stromumformung in einem niedrigen Strombereich schlechter, und auf der anderen Seite bei einem hohen Strombereich besser. Im Gegensatz hierzu weist der Eisenkern der Permalloyfamilie eine hohe Anfangspermeabilität auf, und demzufolge wird die Linearität der Stromumformung in dem niedrigen Strombereich besser. Demgemäß weist eine Kombination des Stromumformers 21 und des Sekundärstromumformers 22 in dem groben Strombereich eine bessere Linearität auf, nämlich in dem Bereich des Fehlerstromes, und die Kombination des Stromumformers 21 und des Sekundärstromumformers 23 weist eine bessere Linearität in dem niedrigen Strombereich auf, also einem Bereich des Gleichgewichtsstromes.
• Die Überstromerfassungsschaltung 101 erfalt die Sekundärausgangsströme des Sekundärstromumformers 22 und gibt die erfalten Daten an den Mikrocomputer 102 als Eingangsdaten aus. Der Mikrcomputer 102 arbeitet als Reaktion auf die Eingangsdaten mit einer derartigen Zeitverzögerung, welche durch die in Fig. 2 dargestellte Zeit-Strombetriebskurve "A" bestimmt ist. Falls beispielsweise der entsprechend dem Fehlerstrom I&sub0; entsprechende Eingangswert während einer vorbestimmten Zeit T&sub0; gemäß Fig. 2 verbleibt, gibt der Mikrocomputer 102 ein Ausgangssignal 116 an die Auslöseeinheit 103 und einen Betriebsfaktorwert, der eine Beziehung von 10 und T&sub0; bestimmt, nämlich B gemäß Fig. 2, an die Speicherschaltung 203 aus, so daß der Betriebsfaktor gespeichert wird. Zur selben Zeit öffnet die Auslöseeinheit 103 den Hauptkontakt 2, wodurch der Fehlerstrom unterbrochen wird, der über die Leistungsleitung 10 fliegt. Die Betriebsfaktoren B, C und D gemäß Fig. 2 sind jeweils vom "inversen Langzeitbetrieb", "inversen Kurzzeitbetrieb", und "gleichzeitigen Betrieb". Diese Betriebskurven sind in einem kürzerem Zeitbereich als dem durch eine gepunktete Linienkurve E dargestellt, welche eine Wärmekapazität der Leistungsleitung 10 zum Schutz der Leistungsleitung 10 darstellt.
• Der Sekundärausgang des Sekundärstromumformers 23 wird an die Meßschaltung 201 ausgegeben, und es werden weitere Meßdaten wie beispielsweise Spannungsdaten über die Eingangsschaltung 400 von dem Eingangsanschluß 401 an die Meßschaltung eingegeben. Die Meßschaltung 201 gibt die Meßdaten durch eine vorbestimmte Meßvorrichtung an den Mikrocomputer 202 aus. Der Mikrocomputer 202 empfängt die Meßdaten der Meßschaltung 201 und verarbeitet diese durch vorbestimmte Verfahren und gibt das Steuersignal zur Steuerung der Anzeigeeinheit 301 und der Ausgangsschaltung 302 aus. Des weiteren empfängt der Mikrocomputer 202 den Betriebsfaktorwert, der aus einer Steuereinheit 100 eingegeben wird und in der Speicherschaltung 203 gespeichert wird. Des weiteren empfängt der Mikrocomputer 202 einen Ausgangswert der Detektorschaltung 204, die den internen Fehler des Mikrocomputers 202 erfaßt, wodurch zur Verbesserung der Sicherheit überwacht werden kann, ob der Mikrocomputer 102 defekt ist oder nicht. Anschließend gibt der Mikrocomputer 202 das Ausgangssignal an die Anzeigeeinheit 301 und die Ausgangsschaltung 302 nach einem vorbestimmten Betriebsverfahren aus. Die Anzeigeeinheit 301 zeigt den Meßwert, den Betriebsfaktorwert und den internen Fehlerwert an, und die Ausgangsschaltung 302 gibt ein Ausgangssignal aus dem Ausgangsanschluß 303 zur externen Verwendung des Schaltungsunterbrechers aus.
• Während spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung vorstehend erläutert und beschrieben wurden, ergibt sich ohne weiteres, daß auch weitere Modifikationen und Änderungen für den Fachmann möglich sind.

Claims (9)

1. Stromdetektor, welcher aufweist:

eine erste Stromsensorvorrichtung (21) mit einer Primärseite für die jeweiligen Phasen von AC-Leistungsleitungen (10) und einer Sekundärseite, wobei ein Kern der ersten Stromsensorvorrichtung (21) aus zumindest zwei unterschiedlichen Materialien aus Siliziumstahllagen und Permalloy-Lagen hergestellt ist, und

eine zweite und eine dritte Stromsensorvorrichtung (22, 23) mit jeweils einer Primär- und einer Sekundärseite,

wobei die Primärseite der zweiten Stromsensorvorrichtung (22), die Primärseite der dritten Stromsensorvorrichtung (23) und die Sekundärseite der ersten Stromsensorvorrichtung (21) in Reihe verbunden sind, und

der Kern der zweiten Stromsensorvorrichtung (22) aus einem eine niedrige Permeabilität aufweisenden Typ besteht, der aus Siliziumfamilien-Stahl-Lagen zusammengesetzt ist, und

der Kern der dritten Stromsensorvorrichtung (23) einen eine hohe Anfangspermeabilität aufweisenden Typ darstellt, der aus Lagen der Permalloy-Familie zusammengesetzt ist.

2. Stromdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

eine Steuervorrichtung (100) für die Ausgabe eines Zeit- Strom-Betriebssignales reagierend auf einen Sekundärausgang der zweiten Stromsensorvorrichtung (22), und

eine Meßvorrichtung (200) zur Ausgabe von elektrischen Quantitätsignalen reagierend auf einen Sekundärausgang der dritten Stromsensorvorrichtung (23).

3. Stromdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Meßvorrichtung (200) einen Fehler der Steuervorrichtung (100) erfalt und ein Fehlersignal ausgibt.

4. Stromdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuervorrichtung (100) ein Betriebsfaktorsignal als Reaktion auf das Zeit-Strom-Betriebssignal an die Meßvorrichtung (200) ausgibt, und die Meßvorrichtung (200) das Betriebsfaktorsignal ausgibt.

5. Stromdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch:

eine Eingangsvorrichtung (400) zum Empfangen von zumindest Spannungssignalen der AC-Leistungsleitungen.

6. Stromdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Meßvorrichtung (200) eine Speichervorrichtung (203) zum Speichern des Betriebsfaktorsignales aufweist.

7. Stromdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die Meßvorrichtung (200) des weiteren einen Mikrocomputer (202) aufweist.

8. Stromdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch:

eine Ausgabevorrichtung (300) zum Ausgeben der elektrischen Quantitätssignale.

9. Stromdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

die Ausgabevorrichtung (300) zumindest eine Anzeigevorrichtung (301) aufweist.