DE3819529C2 - Elektrische Thermomagnet- und Differentialschutzeinrichtung - Google Patents

Elektrische Thermomagnet- und Differentialschutzeinrichtung

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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.
Aus der GB-A-2,072,441 ist eine Differentialschutzein­ richtung mit einer Meßvorrichtung für Differenzströme bekannt. Ein Ausgangssignal eines Differenzstromgebers geht an einen Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsgrad. Ferner ist eine auf das Ausgangssignal des Verstärkers ansprechende Anzeige­ vorrichtung vorgesehen.
Aus der US-A-3,604,982 ist eine Differentialschutzein­ richtung mit einem Thermomagneten bekannt.
"elektrotechnik", Heft 20, 27. Oktober 1980, S. 111 beschreibt LED-Skalen für quantitative Anzeigen von physikali­ schen Werten.
Die GB-A-1,500,792 zeigt eine Differentialschutzein­ richtung für ein Zwei-Phasen-Netz, bei der ein Relais mit zwei Wicklungen vorgesehen ist, die derart unabhängig voneinander sind, daß bei Ausfall einer Phase die Relaisspulenerregung durch die verbleibende andere Phase die Schutzeinrichtung be­ tätigen kann.
Aus der DE-AS 26 53 453 ist es bekannt, Drei-Phasen- Brückenschaltungen zur Bildung von Relaisspannungen zu verwen­ den.
Aus der US-A-4,663,690 ist eine Restdifferentialeinrich­ tung bekannt, bei der ein Signal von einer Meßvorrichtung gleichzeitig auf einen Schutzschalter und eine Anzeige geführt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektri­ sche Thermomagnet- und Differentialschutzeinrichtung anzugeben, die nicht nur in jedem Fall zuverlässig schützt, sondern auch eine quantitative Bestimmung von Differenzströmen ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einer elektrischen Thermomagnet- und Differentialschutzeinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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, nämlilch einen Pluspol Vc und einen Minuspol Ve 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 R1 an den Pluspol Vc angeschlossen ist. Das andere Ende ist über die Widerstände R2 und R3 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 A1 ist ausgangsseitig über den Widerstand R2 mit dem nicht invertierenden Eingang rückgekoppelt, der darüberhinaus über den Widerstand R4 an den Pol Vc und über den Widerstand R3 an den Kontakt 20 angeschlossen ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers A1 ist außerdem über den Widerstand R5 mit dem invertierenden Eingang rückgekoppelt, der außerdem mit der Klemme 23 durch einen Parallelstromkreis des Widerstands R6 und des Konden­ sators C1 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 RS1 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 RS2, RS3 und RS4 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 A2, der einen invertierenden Eingang hat, der durch den Widerstand R7 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 A2 ist an den inver­ tierenden Eingang durch den Parallelstromkreis des Wider­ stands R8 und des gegenphasig geschalteten Zener-Dioden­ paars Z1 und Z2 rückgekoppelt. Der Ausgang dieses Ver­ stärkers A2 ist außerdem an den Eingang der Brückenschaltung 41 mit den Widerständen R9, R10, R11 und R12 angeschlossen, deren Ausgang zu einem zweiten Operationsverstärker A3 führt.
Parallel zum Widerstand R11 der Brückenschaltung 41 befindet sich ein Paar Dioden D1 und D2, zu deren Ver­ bindung der Ausgang eines dritten Operationsverstärkers A4 führt. Dieser hat einen invertierenden Eingang, der zwischen den Widerständen R9 und R11 der Brückenschaltung 41 ange­ schlossen ist, und einen an Masse angeschlossenen nicht invertierenden Eingang.
Auch der nicht invertierende Eingang des Operations­ verstärkers A3 ist an Masse angeschlossen; dieser Ver­ stärker hat einen Ausgang, der direkt an die Basis B1 eines Transistors T1 vom Typ PNP angeschlossen ist, dessen Emitter E1 an die Basis B1 einer Diode D3 und an den invertierenden Eingang des Verstärkers A3 angeschlossen ist.
Der Kollektor C1 des Transistors T1 bilden den Aus­ gang des Verstärkers 30 und ist direkt an den invertierenden Eingang des in der Schwellenwertmeßvorrichtung 32 einge­ bauten Operationsverstärkers A5 angeschlossen. Dieser Ver­ stärker A5 liegt elektrisch zwischen dem Plupol Vc und dem Minuspol Ve; der invertierende Eingang ist seinerseits über den Parallelschwingkreis eines Kondensators C6 und eines Widerstands R5 an den Minuspol Ve angeschlossen. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers A5 ist einerseits über einen Widerstand R13 an Masse angeschlossen und anderer­ seits über einen Widerstand R14 an den Minuspol Ve.
Der Ausgang des Verstärkers A5 bildet den Ausgang der Schwellenwertmeßvorrichtung 32 und ist über einen ver­ änderlichen Widerstand RT an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers A6 angeschlossen, der in den Auslöse­ mechanismus 33 eingebaut ist. Bei diesem Verstärker A6 ist der invertierende Eingang sowohl über den Parallelschwingkreis eines Kondensators C8 und eines Widerstands R15 an den Plus­ pol Vc als auch über einen Widerstand R16 an den Minuspol Ve angeschlossen. Darüberhinaus ist der Ausgang des Ver­ stärkers A6 an den nicht invertierenden Eingang über einen Widerstand R17 rückgekoppelt; dieser Eingang ist über einen Widerstand R18 an Masse angeschlossen.
Der Ausgang des Verstärkers ist durch einen Wider­ stand R19 an den Pluspol Vc und an die Basis B2 eines Transistors T2 des Typs npn mit einem Emitter E2 ange­ schlossen, der mit dem Pol Ve verbunden ist, und einen Kollektor C2, der an den Pol Vc über eine Diode D5 ange­ schlossen ist.
Zwischen dem Kollektor C2 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 Empfing 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 D4, die über einen Kondensator C7 an den Minuspol Ve angeschlossen ist. Zwischen der Diode D4 und dem Kondensator C7 und dem Eingang I1 des Drivers 35 liegt ein Widerstand R20.
Zwischen dem Eingang I1 und dem Minuspol Ve gibt es einen weiteren Widerstand R21, der mit obigem Wider­ stand R20 den Spannungsteiler 34 bildet.
Der Steuerkreis 35 umfaßt weitere Eingänge I2 und I3, 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 Kontroll­ 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 erfaßt das Stromungleichgewicht 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 abgegebene 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 Sund 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 I1 der Steuerschaltung 35 geschickt wird, die das Einschalten der Kontrolleuchten steuert.
Die Steuerschaltung 35 ist so angelegt, daß die Kontroll­ leuchten 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 der Steuerschaltung 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 (5)

1. Elektrische Thermomagnet- und Differentialschutzeinrichtung (1) mit einer elektroni­ schen Meßvorrichtung (2) für Differenzströme (Id) und einem automatischen Schutzschalter (3), mit
einem Differenzstromgeber (17),
einem an den Ausgang des Gebers angeschlossenen Signalverstärker (30) mit einstellbarem Verstärkungsgrad, und
mehreren Kontrolleuchten (36, 37, 38, 39, 40), die an den Ausgang des Verstärkers (30) angeschlossen sind und die der Gebersteuerung entsprechend progressiv aufleuchten,
wobei der Schutzschalter (3) ein Thermomagnetschalter ist, dessen Unterbre­ chungsfunktion durch einen Elektromagneten (5) ausgelöst wird, der durch die Meßvorrich­ tung (2) von den Differenzströmen (Id) gesteuert wird, die in einer Anlage für die Verteilung elektrischer Energie mit Dreiphasen-Niederspannung vorhanden sind, und
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) Phasenspan­ nung des Dreiphasensystems und dem entsprechenden Eingang eines Versorgungskreises (4) der elektronischen Meßvorrichtung (2) angeschlossen sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber aus der sekundären Wicklung (17) eines Ring­ transformators (9) besteht, der an den Eingang des Signalverstärkers (30) angeschlossen ist und durch den Selektor (24) des Auslöseschwellenwerts der Differenzströme (Id) gesteuert wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontrolleuchten (36, 37, 38, 39, 40) an den Ausgang einer Steuerschaltung (35) angeschlossen sind, die am Eingang (I1) das Ausgangssignal des Verstärkers (30) über eine Spitzenwertmeßvorrichtung (31) und einen Spannungsteiler (34) erhält.
4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Schwellenwert­ meßvorrichtung (32) der Differenzströme (Id) und einen Mecha­ nismus (33) umfaßt, der das Öffnen des Schalters (3) auslöst; wobei die Meßvorrichtung (32) an den Ausgang des Versorgungs­ kreises (4), an den Ausgang des Signalverstärkers (30) und außerdem an den Eingang des Auslösemechanismus (33) ange­ schlossen ist.
5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungskreis (4) eingangs­ seitig 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.
DE3819529A 1987-06-09 1988-06-08 Elektrische Thermomagnet- und Differentialschutzeinrichtung Expired - Lifetime DE3819529C2 (de)

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