DE4033444A1 - Ueberstrom-schutzeinrichtung fuer mittels notstromversorgungen gespeiste netze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überstrom-Schutzeinrichtung für mittels Notstromversorgungen speisbare Gleich- und/ oder Wechselspannungsnetze mit einem im abzusichernden Verbraucherstrang des Netzes angeordneten Unterbrechungs­ element.

Für den Schutz von Leitungen und Verbrauchern werden in der Niederspannungstechnik fast ausschließlich Schmelzsicherungen als Unterbrechungselemente eingesetzt, die im Falle eines Überstromes den jeweiligen Strang des Netzes unterbrechen. Die ordnungsgemäße Funktion einer Schmelzsicherung setzt jedoch voraus, daß im Fehlerfall ein genügend großer Fehlerstrom von der Einspeisestelle geliefert wird, damit die dem Schmelzintegral der Sicherung entsprechende Energie zum Abschmelzen des Sicherungselementes ausreicht. Bei Verbrauchersträngen, die mittels Drehstrom- oder Wechselstromnetzen gespeist werden, kann im allgemeinen davon ausgegangen werden, daß ein entsprechend hoher Kurzschlußstrom zur Verfügung steht, um ein Abschmelzen der Sicherung zu gewährleisten.

Bei Netzen mit geringer Kurzschlußleistung bestehen jedoch Probleme, im Fehlerfall genügend Energie bereitzustellen, um die herkömmliche Schmelzsicherung innerhalb der geforderten Zeit zum Ansprechen zu bringen.

Netze mit geringer Kurzschlußleistung haben in der letzten Zeit an Bedeutung zugenommen. Hervorzuheben sind hier Notstromnetze, die dazu dienen, die daran angeschlossenen Verbraucher auch dann noch zu speisen, wenn die normale aus dem Drehstrom- oder Wechselstromnetz zur Verfügung gestellte Spannungsversorgung nicht mehr vorhanden ist.

Notstromnetze haben stark an Bedeutung gewonnen nicht nur im Krankenhausbereich sondern auch zur Absicherung der Spannungsversorgung von Datenverarbeitungsanlagen oder Verkehrsleitsystemen. Die Versorgung von Notstromnetzen erfolgt über Batteriepuffer, deren Gleichspannung über DC-DC-Wandler, rotierende Umformer oder statische Wechselrichter in die erforderliche Gleich- oder Wechselspannung umgesetzt werden.

Die genannten Stromrichter zeichnen sich dadurch aus, daß sie eine sehr schnelle Strombegrenzung im Kurzschlußfall bewirken, um die angeschlossenen elektronischen Bauelemente vor Überlast zu schützen. Im Bezug auf in den Verbraucher­ strängen angeordnete Schmelzsicherungen hat dies jedoch den Nachteil, daß die erforderlichen Kurzschlußströme zum Abschmelzen der Sicherung häufig nicht ausreichen.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde in einigen Fällen vorgeschlagen, den Nennwert der Schmelzsicherung zu reduzieren, damit die Sicherung auch bei niedrigerer Schmelzenergie anspricht. Dies hat jedoch den großen Nachteil, daß es bereits im Normalbetrieb zum Durchschmelzen der Sicherung kommen kann.

In einer anderen Lösung wird vorgeschlagen, im Falle eines Kurzschlusses eine Entladung einer Kondensatorbatterie in den fehlerhaften Verbraucherstrang vorzunehmen, um hierdurch die zum Abschmelzen der Sicherung fehlende Kurzschlußleistung zu ergänzen. Der hierzu erforderliche elektronische und finanzielle Aufwand ist jedoch vergleichsweise hoch.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Überstrom-Schutzeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit geringem Aufwand eine sichere Unterbrechung des fehlerhaften Verbraucherstranges auch bei geringen zur Verfügung gestellten Kurzschlußströmen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Unterbrechungselement mittels einer mit einem voreinstell­ baren Sollwert für den Strangstrom beaufschlagbaren Vergleicherschaltung, der eine den Istwert des Strangstromes erfassende Meßeinrichtung vorgeordnet ist, abschaltbar ist.

Gemäß der Erfindung wird durch eine ständige Strommessung im Verbraucherstrang der Anstieg des Stromes über den zulässigen Betriebsstrom erfaßt und das Unterbrechungselement so angesteuert, daß es unmittelbar den Stromfluß zu dem fehlerbehafteten Verbraucher unterbricht, wenn der Istwert den Sollwert des Strangstromes überschreitet. Eine solche Überstrom-Schutzeinrichtung ist universell verwendbar, da durch die variable vergebbare Einstellung des Sollwertes für die Vergleicherschaltung eine Anpassung an jeden gewünschten abzusichernden Strangstrom möglich ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, daß der Stromfluß unterbrochen wird, unabhängig davon wieviel Kurzschlußleistung im Fehlerfall geliefert wird. Der Ansprechwert der Schutzeinrichtung sowie die Auslösezeit sind mittels einfacher elektronischer Hilfsmittel einstellbar, so daß zum einen der Fehler ausreichend schnell abgeschaltet wird, zum anderen aber der Kostenaufwand in erträglichen Grenzen gehalten wird.

Vorzugsweise ist das Unterbrechungselement ein von der Vergleicherschaltung gesteuerter Halbleiterschalter. Hierbei handelt es sich um gängige Bauelemente der Leistungs­ elektronik, die entsprechend kostengünstig einsetzbar sind.

Eine besonders schnelle Abschaltung ergibt sich, wenn der Halbleiterschalter ein Triac ist, während bei einer Gestaltung des Halbleiterschalters als Thyristor eine besonders kostengünstige Lösung verwirklicht ist.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Meßvorrichtung parallel zu den Anschlüssen einer im Stromstrang vorgesehenen herkömmlichen Schmelzsicherung angeschlossen ist. Dann läßt sich die erfindungsgemäße Überstrom-Schutzeinrichtung derart mit einer herkömmlichen Schutzeinrichtung kombinieren, daß die Schmelzsicherung für den Normalbetrieb wirksam ist, während die elektronische Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung eine Absicherung im Notstrombetrieb gewährleistet. Bei dieser Ausführungsform wirkt die Schmelzsicherung, an die die Meßeinrichtung angeschlossen ist, zudem als Shunt zur Erzeugung des Meßwertes für den Strom.

Dadurch, daß Meßvorrichtung, Vergleicherschaltung und Unterbrechungselement gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine bauliche Einheit bilden können, deren geometrische Abmessungen denen einer herkömmlichen NH-Sicherung entsprechen, läßt sich die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung einfach gegen bestehende Schmelzsicherungen austauschen bzw. ergänzen. Somit ist auch eine Nachrüstung in bestehenden Netzen möglich, die nachträglich auf Notstrombetrieb umgerüstet werden.

Wenn die Spannungsversorgung der Meßeinrichtung über eine Trockenbatterie oder einen Kondensator erfolgt, ist diese netzunabhängig. Bezüglich der Wahl des Einbauortes der Schutzeinrichtung ergibt sich hierdurch eine erhöhte Flexibilität, da Versorgungsleitungen entfallen können.

Wenn der Vergleicherschaltung ein Zustandsmelder zugeordnet ist, mittels dessen die Überschreitung des vorgegebenen Sollwertes für den Strangstrom anzeigbar ist, läßt sich durch die Bedienungsperson auf den ersten Blick erkennen, in welchem Strang die Sicherung angesprochen hat. Das ist insbesondere für komplizierte Netzwerke sinnvoll, um somit einen raschen Überblick über die Position fehlerhafter Verbraucher zu gewinnen.

Wenn bei Netzen mit mehreren neben- oder untergeordneten Verbrauchersträngen jedem Verbraucherstrang eine Überstrom-Schutzeinrichtung zugeordnet ist, deren vorgegebener Sollwert jeweils mit dem im entsprechenden Verbraucherstrang zulässigen Strom korrespondiert, ergibt sich eine gute Selektivität bezüglich der bei einem Fehler abgeschalteten Verbraucherstränge. Wird beispielsweise bei einem Netz, welches Stromkreise mit 25 A, 16 A und 10 A zulässigem Strom enthält, in einem untergeordneten Strompfad mit 10 A ein Fehler entstehen, so gewährleistet die beschriebene Ausführungsform der Erfindung, daß nur in diesem Zweig die Schutzeinrichtung anspricht, während in den übrigen nebengeordneten und übergeordneten Strängen, die vom Fehler nicht betroffen sind, der Stromfluß nicht unterbrochen wird. Diese Maßnahme ermöglicht zum einen eine gezielte Fehlerdiagnose zum anderen aber auch eine schnelle Fehlerkorrektur.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer zwei Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 ein erstes Blockschaltbild für ein Notstromnetz,

Fig. 2 ein zweites Blockschaltbild für ein Notstromnetz,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Zusammenhang mit dem Notstromnetz gemäß Fig. 1,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung im Zusammenhang mit dem Notstromnetz nach Fig. 2,

Fig. 5 ein Strom-/Zeitdiagramm zur Erläuterung der Erfindung und

Fig. 6 die Zeit-/Stromcharakteristik verschiedener Schutzeinrichtungen im Vergleich.

Das in Fig. 1 dargestellte Notstromnetz verfügt zunächst über eine 220 V Gleichspannungsebene 1, welche batterie­ gepuffert ist, so daß die entsprechende Gleichspannung zur Verfügung steht, wenn das allgemeine Versorgungsnetz ausfällt.

Über einen DC-DC-Wandler 2 wird die 220 V Gleichspannung in eine 24 V Gleichspannung heruntertransformiert, so daß die Gleichspannung von 24 V an der Versorgungsschiene 3a für verschiedene Verbraucher zur Verfügung steht. Der rechte in Fig. 1 dargestellte Verbraucherzweig besteht aus einer Reihenschaltung aus einer eine herkömmliche Schmelzsicherung 5 mit einem Nennstrom I_Nenn=20A enthaltenden Überstrom-Schutzeinrichtung 9a und einem Verbraucher 4 für einen Betriebsstrom I_B=10A. Parallel hierzu ist ein nicht mehr spezifizierter Verbraucher (linker Stromstrang) dargestellt, welcher einen Strom von I=30A aus dem 24 V Gleichstromnetz entnimmt.

Die in Fig. 1 mit 9a bezeichnete Überstrom-Schutzein­ richtung ist in der zugehörigen Fig. 3 im Detail dargestellt.

In Reihe zur Schmelzsicherung 5 ist ein Thyristor 8a angeordnet, welcher als Unterbrechungselement für den im Strang fließenden Strom I₂ dient. Der Gate-Anschluß des Thyristors 8a wird von einer Vergleicherschaltung 7a angesteuert, der über einen externen Anschluß ein Sollwert I_Soll vorgegeben werden kann und deren Eingangsklemmen ferner mit den Ausgangsanschlüssen einer Meßeinrichtung 6 für den im Strang fließenden Strom I₂ verbunden ist. Die Messung des Strangstromes erfolgt parallel zur Schmelzsicherung 5.

Das in Fig. 2 dargestellte Notstromnetz unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten lediglich dadurch, daß an Stelle eines 24 V Gleichstromnetzes ein 220 V Wechselstromnetz im Notstrombetrieb aufrechterhalten werden soll. Hierzu ist das batteriegepufferte Notstromnetz 1 über einen DC-AC-Umrichter mit dem Verbrauchernetz 3b verbunden, wobei die am Netz 3b anliegenden Verbraucher denjenigen entsprechen, welche auch am Netz 3a (Fig. 1) angeschlossen sind.

Ein weiterer Unterschied der zweiten Ausführungsvariante der Erfindung besteht darin, daß unter Bezugnahme auf Fig. 4 das Unterbrechungselement für den Strangstrom I₂ ein Triac 8b ist, dessen Gateelektroden wiederum von der Vergleicherschaltung 7 gesteuert werden.

Die Funktionsweise der Erfindung wird im folgenden parallel für beide dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Im Normalfall liefert der DC-DC-Wandler 2a bzw. der DC-AC- Umrichter 2b einen Betriebsstrom I₁=40A, welcher sich entsprechend den beiden Verbrauchern in zwei Stromstränge von 30 A (linker Strang) bzw. 10 A (rechter Strang) aufteilt. Der im rechten Strang fließende Strangstrom I₂ ist über die Schmelzsicherung 5 mit einem Nennstrom von 20 A abgesichert.

Wenn nun im rechten Stromstrang ein Defekt auftritt, durch den der Strom I₂ von seinem in Fig. 5 dargestellten Normalbetriebsniveau von 10 A auf einen hohen Strom ansteigen will, so bewirkt die Strombegrenzung in den Umrichtern 2a bzw. 2b, daß der durch die Umrichter gelieferte Strom I₁ nur auf einen Maximalwert von 65 A (oberes rechtes Niveau von Strom I₁ in Fig. 5) ansteigen kann, so daß sich entsprechend ein Verbraucherstrom I₂ von 35 A einstellt (unteres rechtes Niveau von Fig. 5 von I₂).

Nach Auftreten des Fehlers fließen also wie dargestellt die konstanten, dem jeweiligen oberen Niveau entsprechenden Ströme I₁, I₂.

Der zeitliche Verlauf des Stromes I₂ (t) ist in Fig. 6 dargestellt gemeinsam mit den Kennlinien (a₁) bzw. (a₂) einer herkömmlichen flinken (a₁) bzw. trägen (a₂) Schmelzsicherung mit einem Nennstrom von 20 A und (b) der erfindungsgemäßen Überstrom-Schutzeinrichtung.

Die Kennlinien (a₁) bzw. (a₂) der Schmelzsicherung zeigen, daß die Sicherung nur dann abschmilzt, wenn entweder sehr hohe, d. h. sehr weit über dem Nennstrom der Sicherung liegende Stromwerte in sehr kurzen Zeiten (z. B. kleiner als 0,01 Sekunden) erreicht werden oder der Nennstrom von 20 A über eine Zeitdauer von mehreren Sekunden fließt. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, wird bei einem Fehler, wie er obenstehend dargestellt wurde, die Schmelzsicherung nicht ansprechen, weil die Kurzschlußstrombegrenzung durch die Umrichter 2a bzw. 2b verhindert, daß der für das Abschmelzen der Sicherung notwendige Strom erreicht wird.

Allenfalls wird die Schmelzsicherung erst nach einer vergleichsweisen langen Zeitdauer durchschmelzen, wodurch jedoch zuvor bei den Verbrauchern entsprechender Schaden eintreten kann. Die obenstehenden Effekte treten dabei sowohl bei trägen als auch bei flinken herkömmlichen Sicherungen ein.

Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Überstrom-Schutzeinrichtung, wie sie allgemein durch die Bezugszeichen 9a bzw. 9b in den Fig. 3 bzw. 4 dargestellt wurde, die in Fig. 6 gezeigte Kennlinie (b). Der im Strang fließende Strom I₂ wird ständig an den Meßpunkten parallel zur Abschmelzsicherung 5 von der Meßeinrichtung 6 erfaßt und von der Vergleicherschaltung 7 mit dem dieser vorgegebenen Sollwert für den Strom verglichen. Wenn nun, wie im in Fig. 6 dargestellten Beispiel der Sollwert I_Soll auf 25 A eingestellt wurde, schaltet der Thyristor 8a bzw. das Triac 8b nach einer bauelementebedingten Ansprechzeit von weniger als 0,01 Sekunden schlagartig ab, so daß der Strom I₂ unterbrochen wird. Der Ansprechwert von 25A der elektronischen Sicherung entspricht einer Schmelzsicherung mit einem Nennwert von 20A.

Das Ansprechen der elektronischen Überstrom-Schutzeinrichtung, wie sie Gegenstand der Erfindung ist, erfolgt also - abgesehen von der geringen bauelementebedingten Verzögerungszeit - unmittelbar, wodurch der Stromfluß zu dem fehlerbehafteten Verbraucher unterbrochen wird, bevor ein größerer Schaden eintritt.

Somit erfolgt also auch für solche Fälle ein zuverlässiges Ansprechen der Schutzeinrichtung, in denen der Kurzschlußstrom im Fehlerfall beispielsweise durch elektronische Umrichter begrenzt ist.

Die beschriebene erfindungsgemäße Überstrom-Schutzeinrichtung eignet sich wie dargestellt sowohl zur Absicherung von Gleichspannungs- als auch von quasistationären Vorgängen in Wechselspannungsnetzen.

Der Ansprechwert jeder Sicherung ist ebenso wie die Auslösezeit frei einstellbar, so daß eine einfache Anpassung an die Netzbedingungen möglich ist.

Im Ausführungsbeispiel wurde dargestellt, daß die Strommeßeinrichtung 6 parallel zu den Anschlußklemmen der Abschmelzsicherung 5 angeordnet ist. Somit ist erkennbar, daß zwei separate Sicherungseinrichtungen parallel geschaltet sind, deren Wirkungen sich positiv ergänzen. Während die herkömmliche Schmelzsicherung im normalen Netzbetrieb von Vorteil ist, wirkt sich die erfindungsgemäße elektronische Schutzeinrichtung vor allem dann aus, wenn von Netzbetrieb auf Notstrombetrieb umgeschaltet worden ist, da dann die Kurzschlußstrombegrenzung der Umrichter 2a bzw. 2b wirksam wird.

Es ist aber auch denkbar, auf die Abschmelzsicherung 5 im Stromstrang völlig zu verzichten, so daß die Absicherung alleine durch die elektronische Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung erfolgt.

Dann ist es von besonderem Vorteil, wenn die geometrischen und konstruktiven Abmessungen der elektronischen Schutzeinrichtung denen einer herkömmlichen NH-Sicherung entsprechen, so daß beide Sicherungen lediglich gegeneinander ausgetauscht werden müssen, was ohne großen Aufwand möglich ist.

Der Vorteil des strom- und zeitgenauen Ansprechens der Schutzeinrichtung wirkt sich insbesondere bei hierarchisch aufgebauten Netzen aus, die beispielsweise aus Stromebenen von 10, 16, 25 A bestehen. Tritt in einem hierarchisch untergeordneten Strompfad von 10 A Nennstrom ein Fehler auf, so bewirkt die elektronische Schutzeinrichtung in diesem Stromstrang ein unmittelbares Ansprechen, ohne daß auf die Stromwerte in den übergeordneten Stromsträngen rückgewirkt wird. Es wird also nur derjenige Stromstrang selektiv abgeschaltet, in dem der tatsächliche Fehler vorliegt.

Claims (9)

1. Überstrom-Schutzeinrichtung für mittels Notstromversorgungen (1) speisbare Gleich- und/oder Wechselspannungsnetze (3a, 3b) mit einem im abzusichernden Stromstrang des Netzes (3a, 3b) angeordneten Unterbrechungs­ element, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterbrechungselement (8a, 8b) mittels einer mit einem voreinstellbaren Sollwert für den Strangstrom beaufschlag­ baren Vergleicherschaltung (7), der eine den Istwert (I₂) des Strangstromes erfassende Meßeinrichtung (6) vorgeordnet ist, abschaltbar ist.

2. Überstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterbrechungselement (8a, 8b) ein von der Vergleicherschaltung (7) steuerbarer Halbleiterschalter ist.

3. Überstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter ein Thyristor (8a) ist.

4. Überstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter ein Triac (8b) ist.

5. Überstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (6) parallel zu den Klemmen einer im abzusicherenden Stromstrang angeordneten Schmelzsicherung (5) angeordnet ist.

6. Überstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Meßvorrichtung (6), Vergleicherschaltung (7) und Unterbrechungselement (8a, 8b) eine bauliche Einheit bilden, deren geometrische Abmessungen denen einer herkömmlichen NH-Sicherung entsprechen.

7. Überstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung der Meßeinrichtung (6) durch eine Trockenbatterie oder einen Kondensator lieferbar ist.

8. Überstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicherschaltung (7) ein Zustandsmelder zugeordnet ist, mittels dessen die Überschreitung des vorgegebenen Sollwertes für den Strangstrom anzeigbar ist.

9. Überstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Netzen mit mehreren neben- oder untergeordneten Verbrauchersträngen jedem Verbraucherstrang mindestens eine Überstrom-Schutzeinrichtung (9a, 9b) zugeordnet ist, deren vorgebbarer Sollwert jeweils mit dem im entsprechenden Verbraucherstrang zulässigen Strom korrespondiert.