DE3819529A1 - Elektrische thermomagnet- und differentialschutzeinrichtung - Google Patents
Elektrische thermomagnet- und differentialschutzeinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische
Thermomagnet- und Differentialschutzeinrichtung mit einer
Meßvorrichtung für Differenzströme und einem Thermomagnet
schalter.
Elektrische Schutzeinrichtungen dieser Bauart
sind im allgemeinen für Industrieanlagen bestimmt, bei denen
die Verteilung elektrischer Energie über ein Dreiphasen-
Niederspannungsnetz erfolgt.
In diesem Anwendungsbereich kennt man Einrichtungen
mit Meßinstrumenten, die an die Stromverteilungsanlage
in Reihe angeschlossen sind und vor dem Anschluß einer
Schutzapparatur überprüfen sollen, ob Differenzströme,
sogenannte Kriechströme, vorliegen.
Diese Meßinstrumente entsprechen zwar im wesentli
chen ihrem Zweck und können verschiedene Meßfunktionen
elektrischer Störungen wahrnehmen, verfügen aber trotz
dem nur über eine Notleuchte, die dann aufleuchtet, wenn
der vorher festgelegte Schwellenwert für die elektrische
Größe, die gemessen werden soll, überschritten wird.
Diese Instrumente erlauben daher keine quantita
tive Messung des Kriechstroms und können ein Eingreifen
der Schutzapparatur zum falschen Zeitpunkt nicht verhindern.
Die bekannte Technik bietet außerdem tragbare Meß
instrumente an, sogenannte Tester, mit denen verschiedene
den Sicherheitsvorschriften für elektrische Anlagen
entsprechende Kontrollen durchgeführt werden können,
wobei auch die Kriechströme gemessen werden. Diese Meß
instrumente können nicht in die Schutzeinrichtung inte
griert werden und haben daher den Nachteil, daß nur
gelegentliche Zustandskontrollen der elektrischen Anlage
durchgeführt werden können.
Die elektronischen Meßinstrumente der vorstehend
beschriebenen Schutzeinrichtungen sind mit dem Schutz
schalter durch einen Elektromagneten verbunden, der die
Unterbrechungsfunktion des Schalters auslöst.
Dieser Elektromagnet ermöglicht außer der Öffnung
des Schalters auch den Schutz der elektronischen Meßvor
richtung bei Überspannungen in der Stromverteilungs
anlage oder bei einem Kurzschluß in der Vorrichtung selbst.
Er hat aber den Nachteil, daß er bei einer Unterbrechung
der Eingangsphase nicht eingreift.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde,
eine elektrische Thermomagnet- und Differentialschutzein
richtung zu schaffen, die über solche Struktur- und Funk
tionseigenschaften verfügt, daß unter Beseitigung der er
wähnten Nachteile der bekannten Einrichtungen Differenz
ströme einer Stromverteilungsanlage festgestellt und quan
titativ gemessen werden können. Die Einrichtung der ein
gangs genannten Art, bei der dieses Problem gelöst ist,
ist im wesentlichen gekennzeichnet durch
- - einen Differenzstromgeber,
- - einen an den Ausgang des Gebers angeschlossenen Signal verstärker mit einstellbarem Verstärkungsgewinn, und
- - mehrere Kontrolleuchten, die an den Ausgang des Ver stärkers angeschlossen sind und die der Gebersteuerung entsprechend progressiv aufleuchten.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der
Apparatur nach der Erfindung ergeben sich aus nachste
hender Beschreibung eines Anwendungsbeispiels, das nur
eine der Möglichkeiten aufzeigt und sich auf beiliegende
Zeichnung bezieht, in der zeigen
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Blockschalt
bilds der Schutzeinrichtung nach der Erfindung;
Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild eines Teils der
Einrichtung nach Fig. 1 und
Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild eines anderen
Teils der Einrichtung nach Fig. 1.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist mit 1 global
und schematisch eine elektrische Einrichtung zum Schutz
vor Differenzströmen Id, bzw. sogenannten Kriechströmen,
in einer Dreiphasen-Niederspannungs-Anlage für die Ver
teilung elektrischer Energie gezeigt. Zu dieser Anlage
gehören konventionelle Phasenleiter R, S und T und ein
Nulleiter N, die eine vierpolige Leitung 44 für ein
Dreiphasen-Netz mit einem Wechselspannungsbereich von 50
bis 500 Volt bilden, das der Speisung von aufgrund ihrer
konventionellen Natur nicht dargestellten elektrischen
Verbrauchern dient.
Die Einrichtung 1, die an das vierpolige Vertei
lungsnetz in Reihe angeschlossen ist, umfaßt einen auto
matisch arbeitenden Thermomagnet-Differentialschutzschalter,
der an die Leitung 44 in Reihe angeschlossen ist und der
mit einer Vorrichtung 2 verbunden ist, die die Differenz
ströme Id mißt.
Zur Einrichtung 1 gehören mehrere elektronische
Komponenten, die nachstehend detailliert beschrieben werden
und durch einen Versorgungkreis 4 gespeist werden, der ein
gangsseitig an die Leiter R, S und T des Dreiphasen-Span
nungssystems angeschlossen ist. Der Versorgungskreis 4
liefert am Ausgang ein Polpaar, nämlich einen Pluspol V e
und einen Minuspol V e mit einem Wert gleich 10 bzw. -7,5
Volt. Der Versorgungskreis 4 ist so aufgebaut, daß seine
Funktionstüchtigkeit durch das Fehlen einer der drei
Phasenspannungen nicht beeinträchtigt wird. Genauer gesagt,
der Versorgungskreis 4 verfügt am Eingang über eine Drei
phasen-Brückenschaltung 10, die aus sechs Dioden besteht,
die ein Dioden-Brückenschaltungspaar 11 und 12 bilden
und ein Diodenpaar gemeinsam haben.
Der Versorgungskreis 4 ist eingangsseitig an die
Phasenleiter R, S und T über den Schalter 3 angeschlossen,
der einen Elektromagneten 5 umfaßt, welcher die Unter
brechungsfunktion des Schalters 3 mit seinem beweglichen
Kern 6 auslöst.
Zum Elektromagneten 5 gehören eine erste 7 und eine
zweite 8 Wicklung, die strukturell unabhängig voneinander
sind und jeweils zwischen den Phasenleiter R und einen
Eingang 13 der ersten Brückenschaltung 11, sowie zwischen
den Phasenleiter S und einen Eingang 14 der zweiten
Brückenschaltung 12 angeschlossen sind. Der zweite Ein
gang 15 beider Dioden-Brückenschaltungen 11 und 12 ist
direkt an den dritten Phasenleiter T angeschlossen.
Die Meßvorrichtung 2 umfaßt einen Ringtransformator
9 mit guten Magneteigenschaften, der die Phasenleiter R,
S und T und den Nulleiter N umschließt um Stromungleich
gewichte unter ihnen bei Vorhandensein von Kriechströmen
Id in Richtung Erde zu messen. Der Transformator 9 ver
fügt über eine Wicklung 16, deren eines Ende über einen
Widerstand R 1 an den Pluspol Vc angeschlossen ist. Das
andere Ende ist über die Widerstände R 2 und R 3 mit dem
Kontakt 20 einer Probetaste verbunden, die gelenkartig
mit der an den Minuspol Ve angeschlossenen Klemme 23 ver
bunden ist, die aus einer ersten Position, bei der Kontakt
mit der Hauptklemme 18 eines Selektors 24 besteht, in
eine zweite Position überführbar ist, bei der sie mit dem
Kontakt 20 in Verbindung steht.
Ein Operationsverstärker A 1 ist ausgangsseitig über
den Widerstand R 2 mit dem nicht invertierenden Eingang
rückgekoppelt, der darüberhinaus über den Widerstand R 4
an den Pol Vc und über den Widerstand R 3 an den Kontakt 20
angeschlossen ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers A 1
ist außerdem über den Widerstand R 5 mit dem invertierenden
Eingang rückgekoppelt, der außerdem mit der Klemme 23 durch
einen Parallelstromkreis des Widerstands R 6 und des Konden
sators C 1 verbunden ist. Zum Transformator 9 gehört außer
dem eine Sekundärwicklung 17 mit ca. 1000 Windungen; diese
Wicklung ist der Geber für die Differenzströme Id, der mit
seinen Enden an einen Signalverstärker 30 angeschlossen ist.
Ein Ende der sekundären Wicklung 17 ist über den
ersten Widerstand RS 1 einer Gruppe von vier den Selektor
24 bildenden Widerständen eines Widerstandsteilers an die
Klemme 23 der Probetaste 21 angeschlossen.
Der Verstärker 30 mit einstellbarem Verstärkungs
gewinn wird vom Selektor 24 gesteuert, indem jeweils
ein Ende der verbleibenden Widerstände RS 2, RS 3 und RS 4
an die Sekundärwicklung 17 angeschlossen ist, während die
gegenüberliegenden freien Enden mit dem mobilen Kontakt 19
in Verbindung gelangen, der mit der Hauptklemme 18 des
Selektors 24 verbunden ist.
Der Ausgang des Verstärkers 30 ist sowohl an den
Eingang einer Schwellenwertmeßvorrichtung 32 der Diffe
renzströme als auch an den Eingang einer Spitzenwert
meßvorrichtung 31 des Ausgangssignals angeschlossen.
Der Ausgang der Meßvorrichtung 32 ist an den Eingang eines
Auslösemechanismus 33 angeschlossen, der den Schalter 3
öffnet, wenn ein Differenzstrom einer Größe gemessen wird,
die über dem vorher festgelegten Schwellenwert liegt.
Der Ausgang der Spitzenwertmeßvorrichtung 31 ist
dagegen über den Spannungsteiler 34 an den Eingang einer
Steuerschaltung 35 von Kontrolleuchten mit Leuchtdioden
36 bis 30 angeschlossen.
Der vorstehend erwähnte Verstärker umfaßt auch einen
Operationsverstärker A 2, der einen invertierenden Eingang
hat, der durch den Widerstand R 7 an das Ende der sekun
dären Wicklung 17 des Transformators 9 angeschlossen ist
und außerdem einen nicht invertierenden Eingang, der
an das andere Ende der Wicklung 17 sowie an Masse ange
schlossen ist.
Der Ausgang des Verstärkers A 2 ist an den inver
tierenden Eingang durch den Parallelstromkreis des Wider
stands R 8 und des gegenphasig geschalteten Zener-Dioden
paars Z 1 und Z 2 rückgekoppelt. Der Ausgang dieses Ver
stärkers A 2 ist außerdem an den Eingang der Brückenschaltung
41 mit den Widerständen R 9, R 10, R 11 und R 12 angeschlossen,
deren Ausgang zu einem zweiten Operationsverstärker A 3
führt.
Parallel zum Widerstand R 11 der Brückenschaltung 41
befindet sich ein Paar Dioden D 1 und D 2, zu deren Ver
bindung der Ausgang eines dritten Operationsverstärkers A 4
führt. Dieser hat einen wechselnden Eingang, der zwischen
den Widerständen R 9 und R 11 der Brückenschaltung 41 ange
schlossen ist, und einen an Masse angeschlossenen nicht
invertierenden Eingang.
Auch der nicht invertierende Eingang des Operations
verstärkers A 3 ist an Masse angeschlossen; dieser Ver
stärker hat einen Ausgang, der direkt an die Basis B 1 eines
Transistors T 1 vom Typ PNP angeschlossen ist, dessen Emitter
E 1 an die Basis B 1 einer Diode D 3 und an den invertierenden
Eingang des Verstärkers A 3 angeschlossen ist.
Der Kollektor C 1 des Transistors T 1 bildet den Aus
gang des Verstärkers 30 und ist direkt an den invertierenden
Eingang des in der Schwellenwertmeßvorrichtung 32 einge
bauten Operationsverstärkers A 5 angeschlossen. Dieser Ver
stärker A 5 liegt elektrisch zwischen dem Pluspol Vc und dem
Minuspol Ve; der invertierende Eingang ist seinerseits über
den Parallelstromkreis eines Kondensators C 6 und eines
Widerstands RS an den Minuspol Ve angeschlossen. Der nicht
invertierende Eingang des Verstärkers A 5 ist einerseits
über einen Widerstand R 13 an Masse angeschlossen und anderer
seits über einen Widerstand R 14 an den Minuspol Ve.
Der Ausgang des Verstärkers A 5 bildet den Ausgang
der Schwellenwertmeßvorrichtung 32 und ist über einen ver
änderlichen Widerstand RT an den invertierenden Eingang eines
Operationsverstärkers A 6 angeschlossen, der in den Auslöse
mechanismus 33 eingebaut ist. Bei diesem Verstärker A 6 ist
der invertierende Eingang sowohl über den Parallelstromkreis
eines Kondensators C 8 und eines Widerstands R 15 an den Plus
pol Vc als auch über einen Widerstand R 16 an den Minuspol
Ve angeschlossen. Darüberhinaus ist der Ausgang des Ver
stärkers A 6 an den nicht invertierenden Eingang über einen
Widerstand R 17 rückgekoppelt; dieser Eingang ist über einen
Widerstand R 18 an Masse angeschlossen.
Der Ausgang des Verstärkers ist durch einen Wider
stand R 19 an den Pluspol Vc und an die Basis B 2 eines
Transistors T 2 des Typs npn mit einem Emitter E 2 ange
schlossen, der mit dem Pol Ve verbunden ist, und einen
Kollektor C 2, der an den Pol Vc über eine Diode D 5 ange
schlossen ist.
Zwischen dem Kollektor C 2 und dem Pol Vc befindet
sich ein Mechanismus 42, der aus einem gesteuerten Sili
ziumgleichrichter ScR zum Kurzschließen der Dreiphasen-
Brückenschaltung 10 des Eingangskreises 4 besteht.
Der Gleichrichter 42 verfügt über einen Tor-Eingang G für
den Empfang eines Signals entsprechend der Messung eines
Differenzstroms, dessen Wert über dem Schwellenwert liegt.
Wenn dieses Signal am Eingang G empfangen wird, schließt
der Gleichrichter 42 die Eingänge des Eingangskreises 4
kurz.
Vorteilhafterweise umfaßt die Spitzenwertmeßvor
richtung 31 eine Diose D 4, die über einen Kondensator
C 7 an den Minuspol Ve angeschlossen ist. Zwischen der Diode
D 4 und dem Kondensator C 7 und dem Eingang I 1 des Drivers
35 liegt ein Widerstand R 20.
Zwischen dem Eingang I 1 und dem Minuspol Ve gibt
es einen weiteren Widerstand R 21, der mit obigem Wider
stand R 20 den Spannungsteiler 34 bildet.
Der Steuerkreis 35 umfaßt weitere Eingänge I 2 und
I 3, die jeweils an den Pluspol Vc und den Minuspol Ve ange
schlossen sind, sowie mehrere Ausgänge, die mit 14 bis 18
bezeichnet sind und jeweils an eine der Led-Leuchtdioden
36, 37, 38, 39 und 40 angeschlossen sind. Diese Kontrol
leuchten sind untereinander durch Kaskadenschaltung ver
bunden, wobei die letzte, nämlich die Leuchtdiode 40 außer
dem an den Minuspol Ve angeschlossen ist.
Die Einrichtung 1 verfügt erfindungsgemäß über einen
Selektor 43, der aus einem Widerstandsteiler besteht, durch
den die Ansprechverzögerung des Schalters bei seiner
Öffnung eingestellt wird.
Nachstehend wird die Funktionsweise der Einrichtung
nach der Erfindung beschrieben.
Die Sekundärwicklung 17 des Transformators 9 mißt
das Strömungsleichgewicht zwischen den Phasenleitern R, S und
T und dem Nulleiter N, wenn ein Verlust in Richtung Erde,
ein Differenzstrom Id vorliegt.
Das von der Sekundär-Wicklung 17 gemessene Signal
wird durch den Verstärker 30 verstärkt und dem Eingang
der Schwellenwertmeßvorrichtung 32 zugeführt, die für den
Fall, daß der Differenzstrom den vorher festgelegten Schwel
lenwert überschreitet, ein Signal an den Eingang des Auslöse
mechanismus 33 schickt, der den Gleichrichter 42 aktiviert.
Nach dem Eingreifen des Gleichrichters 42 wird die Drei
phasen-Brückenschaltung 10 des Versorgungskreises 4 kurzge
schlossen und die Phasenspeisespannung wird direkt an die
Wicklungen 7 und 8 des Elektromagneten 5 angelegt, der den
Schalter 3 im Öffnungssinn beaufschlagt. Die Spezial
struktur und die Verbindungen der Wicklungen des Elektro
magneten 5 ermöglichen diesem auch dann zu funktionieren,
wenn eine der Phasenspannungen fehlt. Wenn zum Beispiel
aufgrund eines Defekts die Phasenspannung am Leiter R fehlt,
bleibt auf jeden Fall aber die Speisung der Wicklung 8 des
Elektromagneten 5 und damit des Versorgungskreises 4 der
Vorrichtung 2 erhalten.
Der Schwellenwert des Ansprechstroms kann mit dem
Selektor 24 soweit variiert werden, daß Differenzströme
von 30 mA gemessen werden; für Ströme mit einem derart
niedrigen Wert bleibt der mobile Kontakt 19 des Selektors
24 in der offenen Stellung.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 30 wird an den
Eingang der Meßvorrichtung 31 gelegt, die den Spitzenwert
entnimmt, der durch den Spannungsteiler 34 an den Eingang
I 1 des Drivers 35 geschickt wird, der das Einschalten
der Kontrolleuchten steuert.
Der Driver 35 ist so angelegt, daß die Kontroll
euchten 36 bis 40 progressiv mit dem Ansteigen des ge
messenen Differenzstroms aufleuchten und zwar jeweils bei
einem Zuwachs um 15%. Die erste Led-Leuchtdiode 36 leuchtet
damit bei Werten von Id = 15% des mit dem Selektor 24
vorgegebenen Schwellenwerts auf; während die zweite Led
37 bei Differenzstromwerten von 30% des Schwellenwerts
aufleuchtet, usw. bis alle fünf Leuchtdioden anzeigen,
daß ein Stromwert erreicht ist, der 75% der Ansprech
schwelle entspricht.
Die CEI (Comitato Elettroternico Italiano)-Normen
sehen vor, daß ein Differentialschutz bei der Messung
eines Kriechstroms von 50% bis 100% des festgesetzten
Schwellenwerts ansprechen soll.
Die ersten drei Leuchtdioden 36, 37, 38 leuchten
damit bereits auf, wenn ein Differenzstrom gemessen wird,
der unter der Ansprechschwelle liegt wie sie die CEI
Normen für einen Differentialschutz vorsehen.
Wenn die vierte Diode 39 aufleuchtet, wird die
Ansprechmöglichkeit des Differentialschutzes angezeigt,
während die fünfte Diode 40 anzeigt, daß die Einrichtung
1 die Grenze des Ansprechbereichs des Differentialschutzes
erreicht hat.
Durch Einwirken von außen auf den Selektor 24
wird der Schwellenwert des Ansprechstroms verändert, wobei
automatisch die Empfindlichkeit der Einrichtung 1 und
des Drivers 35 mit den Kontrolleuchten angeglichen wird.
Die Einrichtung hat erfindungsgemäß den großen
Vorteil, daß eine quantitative Messung der Differenzströme
bei homogener Integrierung der Schutz-, Regel- und An
zeigefunktionen möglich wird. Durch entsprechende Kolorie
rung der Kontrolleuchten wird außerdem die Aufgabe des
Installateurs erleichtert, der den geeigneten Schwellen
wert für den Differentialschutz in Bezug auf die Strom
verlusteigenschaften der elektrischen Anlage, in der die
Einrichtung installiert ist, festlegen kann.
Die Einrichtung hat außerdem gemäß der Erfindung
den großen Vorteil, auch dann funktionsfähig zu bleiben,
wenn eine der Phasenspeisespannungen fehlt; darüberhinaus
ermöglicht die Positionierung des Elektromagneten über der
Meßvorrichtung der Differenzströme, daß der Schutz dieser
elektronischen Vorrichtung bei Überspannungen in der
elektrischen Versorgungsleitung aufrechterhalten wird.
Claims (6)
1. Elektrische Thermomagnet- und Differential
schutzeinrichtung (1) mit einer Meßvorrichtung (2) für
Differenzströme (Id) und einen Thermomagnetschalter (3),
gekennzeichnet durch
- - einen Differenzstromgeber (Id),
- - einen an den Ausgang des Gebers angeschlossenen Signal verstärker (30) mit einstellbarem Verstärkungsgewinn, und
- - mehrere Kontrolleuchten (36, 37, 38, 39, 40), die an den Ausgang des Verstärkers (30) angeschlossen sind und die der Gebersteuerung entsprechend progressiv aufleuchten.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Geber aus der sekundären Wicklung (17)
eines Ringtransformators (9) besteht, der an den Eingang
des Signalverstärkers (30) angeschlossen ist und durch
den Selektor (24) des Auslöseschwellenwerts der Differenz
ströme gesteuert wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kontrolleuchten (36, 37, 38, 39, 40) an
den Ausgang eines Drivers (35) angeschlossen sind, der am
Eingang (I 1) das Ausgangssignal des Verstärkers (30) durch
eine Spitzenwertmeßvorrichtung (31) und einen Spannungs
teiler (34) erhält.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß sie außerdem einen Versorgungskreis (4), eine
Schwellenwertmeßvorrichtung (32) der Differenzströme (Id)
und einen Mechanismus (33) umfaßt, der das Öffnen des
Schalters (3) auslöst; wobei die Meßvorrichtung (32)
an den Ausgang des Versorgungskreises (4), an den Ausgang
des Signalverstärkers (30) und außerdem, an den Eingang
des Auslösemechanismus (33) angeschlossen ist.
5. Elektrische Thermomagnet- und Differentialschutz
einrichtung, mit einem automatischen Schutzschalter (3),
dessen Unterbrechungsfunktion durch einen Elektromagneten
(5) ausgelöst wird, der durch eine elektronische Meß
vorrichtung (2) von Differenzströmen gesteuert wird, die
in einer Anlage für die Verteilung elektrischer Energie
mit Dreiphasen-Niederspannung vorhanden sind, dadurch
gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (5) eine erste (7)
und eine zweite (8) Wicklung hat, die strukturell unabhängig
sind und jeweils zwischen einer ersten (R) und einer
zweiten (S) Phasenspannung des Dreiphasensystems und dem
entsprechenden Eingang des Versorgungskreises (4) der
elektronischen Meßvorrichtung (2) angeschlossen sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Versorgungskreis (4) eingangsseitig
eine Dreiphasen-Brückenschaltung (10) mit einem ersten
(11) und einem zweiten (12) Brückenkreis von Dioden umfaßt,
die jeweils einen Eingang (13, 14) besitzen, der an eine
der Wicklungen (7, 8) angeschlossen ist.
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