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Die
Erfindung betrifft ein Schutzrelais mit einer Verarbeitungseinheit,
die an Meßmittel
angeschlossen ist, welche die durch den Stromfluß in elektrischen Leitern bewirkte
Erwärmung
abbildende Signale liefern, sowie mit Einstellmitteln, die mit der Verarbeitungseinheit
verbunden sind und Schutz-Ansprechwerte abbildende Signale liefern.
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Bekannte
Schutzrelais wie z. B. elektronische Auslöser für Leistungsschalter erlauben
die Abschaltung von elektrischen Kontakten zum Schutz einer Installation.
Die Auslöser
umfassen im allgemeinen Stromwandler, die an eine Schutzfunktionen ausführende Verarbeitungseinheit
angeschlossen sind. Die Verarbeitungseinheit steuert ein Auslöserelais
an, wenn ein von den Stromwandlern geliefertes Signal über eine
bestimmte Zeitdauer einen bestimmten Ansprechwert überschreitet.
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Einige
Auslöser
umfassen mit der Verarbeitungseinheit verbundene Temperaturfühler. Diese Fühler liefern
ein Temperatursignal, um bei Auftreten einer unzulässigen Erwärmung im
Leistungsschalter die Unterbrechung eines Stroms zu ermöglichen.
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Temperaturfühler können auch
zur Definition des thermischen Speichers einer Installation verwendet
werden. Eine solche in der europäischen
Patentschrift
EP 0 421
892 B beschriebene Anordnung schlägt eine Simulation der Abkühlung nach
dem Abschalten des Leistungsschalterkontakte vor.
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In
der Druckschrift "DATABASE
WPI Section PQ, Week 9404 Derwent Publications Ltd., London, GB;
Class Q 14, AN 94-033594 XP002044396 & SU 1 786 585 A (ROST RAIL ENG INST),
7. Januar 1993" wird
ein Verfahren zum Schutz der Leiter eines elektrischen Netzes gegen
unzulässige
Erwärmung beschrieben.
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In
der Druckschrift "PATENT
ABSTRACTS OF JAPAN vol. 017, no. 152 (E-1340), 25. März 1993 &
JP 04 317511 A (MITSUBISHI
ELECTRIC CORP), 9. November 1992" ist
ein Belastungswächter
für eine Übertragungsleitung
beschrieben. Der in dieser Druckschrift beschriebene Belastungswächter empfängt Signale
eines Umgebungstemperaturfühlers und
Signale eines Stromwandlers.
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Langzeitverzögerungs-Auslösefunktionen können Temperatursignale
verwenden, jedoch sind die Auslöse-Ansprechwerte
nicht sehr genau und die Einstellmöglichkeiten für die Zeitverzögerungen
beschränkt.
Daher kombinieren Auslöser
häufig
eine sehr genaue Schutzfunktion durch Strommessung mit einer ergänzenden
oder redundanten Schutzfunktion durch Temperaturmessung.
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Darüber hinaus
erlauben die bekannten, Temperatursignale verwendenden Schutzfunktionen keinen
Kurzzeitverzögerungsschutz.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schutzrelais und ein Schutzverfahren
mit Verwendung von Temperatursignalen für verbesserte Auslösefunktionen
anzugeben.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Relais
umfaßt
die Verarbeitungseinheit erste Thermoschutzmittel, die mit ersten
Einstellmitteln, welche ein, einen ersten Ansprechwert abbildendes
erstes Einstellsignal liefern, sowie mit ersten Meßmitteln
verbunden sind, die mit mindestens einem Leiter thermisch in Kontakt
stehen und ein, die Temperatur des genannten Leiters abbildendes
erstes Signal liefern, wobei die genannten ersten Schutzmittel ein
Auslösesignal liefern,
wenn ein die Änderung
des ersten Temperatursignals abbildender Wert einen Wert übersteigt, der
das, den ersten Ansprechwert abbildende erste Einstellsignal abbildet.
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Nach
einer vorzugsweisen Ausgestaltung umfaßt die Verarbeitungseinheit
zweite Thermoschutzmittel die mit zweiten Einstellmitteln, welche ein,
einen zweiten Ansprechwert abbildendes zweites Einstellsignal liefern,
mit den ersten Meßmitteln sowie
mit zweiten Meßmitteln
verbunden sind, welche entfernt von den zu schützenden Leitern angeordnet
sind und ein, eine Umgebungstemperatur abbildendes zweites Temperatursignal
liefern, wobei die genannten zweiten Schutzmittel ein Auslösesignal
liefern, wenn ein die Temperaturdifferenz zwischen dem von den ersten
Meßmitteln
gelieferten ersten Temperaturwert und dem von den zweiten Meßmitteln
gelieferten zweiten Temperaturwert einen Wert übersteigt, der das, den zweiten
Ansprechwert abbildende zweite Einstellsignal abbildet.
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Die
zweiten Schutzmittel umfassen vorzugsweise Mittel zur Bestimmung
einer, eine Temperaturdifferenz abbildenden Größe mit an die ersten Meßmittel
und die zweiten Meßmittel
angeschlossenen Eingängen
sowie einem Ausgang, der den die Differenz zwischen dem von den
ersten Meßmitteln
gelieferten ersten Temperaturwert und dem von den zweiten Meßmitteln
gelieferten zweiten Temperaturwert abbildenden Wert liefert.
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Nach
einer Ausführungsvariante
sind die ersten Schutzmittel mit dem Ausgang der Mittel zur Bestimmung
einer eine Temperaturdifferenz abbildenden Größe verbunden.
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Nach
einer besonderen Ausgestaltung umfaßt die Verarbeitungseinheit
dritte Thermoschutzmittel, die mit den ersten Meßmitteln verbunden sind und
ein Auslösesignal
liefern, wenn ein Wert, der die von den ersten Mitteln gelieferte
Temperatur abbildet, einen bestimmten dritten Ansprechwert übersteigt.
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Nach
einer ersten Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Verarbeitungseinheit
Korrekturmittel mit Eingängen,
die mit den ersten Einstellmitteln, mit den zweiten Einstellmitteln
sowie mit Mitteln zur Bestimmung einer, eine Temperaturdifferenz
abbildenden Größe verbunden
sind, sowie mit einem Ausgang, der mit den ersten Thermoschutzmitteln
verbunden ist, wobei die genannten Korrekturmittel das, einen ersten
Ansprechwert abbildende erste Einstellsignal in Abhängigkeit
vom Wert des zweiten Ansprechwerts und von dem eine Temperaturdifferenz abbildenden
Wert verändern.
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Nach
einer zweiten Weiterbildung der Erfindung umfassen die ersten Thermoschutzmittel
Differentialrechenmittel, die mit einem Eingangssignal beaufschlagt
werden, welches das von den ersten Meßmitteln gelieferte Temperatursignal
abbildet, und die ein Ausgangssignal liefern, das die Änderung
des Eingangssignals abbildet.
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Die
Differentialrechenmittel umfassen vorzugsweise ein mit dem Eingangssignal
beaufschlagtes Abtastglied, einen mit dem Abtastglied verbundenen
Pufferspeicher zur Speicherung einer bestimmten Anzahl von letzten
Abtastwerten, einen mit dem Puffer verbundenen und den Wert eines
niederwertigsten gespeicherten Abtastwerts liefernden Minimumdetektor
sowie Differenzberechnungsmittel mit Eingängen, die mit der Abtastschaltung
und mit dem Minimumdetektor verbunden sind, sowie mit einem Ausgang,
der das Ausgangssignal liefert, welches die Differenz zwischen dem
letzten Abtastwert und dem kleinsten Wert der letzten gespeicherten
Abtastwerte abbildet.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
umfaßt:
- – eine
Stufe zur Messung der Temperatur mindestens eines Leiters,
- – eine
Stufe zur Berechnung der Temperaturänderung in mindestens einem
Leiter,
- – eine
Stufe zur Steuerung der Auslösung
in Abhängigkeit
vom Wert der genannten Temperaturänderung.
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Eine
Weiterbildung des Verfahrens umfaßt:
- – eine Stufe
zur Messung einer Umgebungstemperatur,
- – eine
Stufe zur Berechnung der Differenz zwischen dem Wert der Temperatur
mindestens eines Leiters und Umgebungstemperaturwerten sowie
- – eine
Stufe zur Steuerung der Auslösung
in Abhängigkeit
vom Wert der Temperaturdifferenz.
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Zum
besseren Verständnis
sind mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter
Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
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1 ein
Blockschaltbild eines bekannten Schutzrelais;
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2 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schutzrelais';
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3 und 4 jeweils
ein Blockschaltbild einer Verarbeitungseinheit eines erfindungsgemäßen Relais;
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5 Korrekturmittel
zum möglichen
Einsatz in erfindungsgemäßen Relais;
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6 Mittel
zur Differenzberechnung zum möglichen
Einsatz in erfindungsgemäßen Relais;
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7 ein
Funktionsablaufdiagramm einer Verarbeitungseinheit eines erfindungsgemäßen Relais';
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8a bis 8d die
Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Relais' abbildende Signale.
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Ein
in 1 dargestelltes Relais bekannter Bauart umfaßt eine
Verarbeitungseinheit 1, die mit Einstellmitteln 2a und 2b,
Stromwandlern 3a und 3b sowie einem Auslöserelais 4 verbunden
ist. Die Stromwandler sind um Hauptleiter 5 eines zu schützenden
Leitungsnetzes 6 geführt.
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In
Reihe zu den Hauptleitern 5 geschaltete Kontakte 7 werden
zur Abschaltung durch das Auslöserelais
angesteuert. Übersteigt
ein von den Wandlern geliefertes Stromsignal bestimmte, durch die Einstellmittel
vorgegebene Ansprech- und Zeitverzögerungswerte, steuert die Verarbeitungseinheit
das Relais 4 an, um die Abschaltung der Kontakte 7 und die
Unterbrechung eines Stroms I im Leitungsnetz 6 zu bewirken.
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Ist
das Schutzrelais als, insbesondere in einem Leistungsschalter installierter
Auslöser
ausgebildet, liefert ein Temperaturfühler 8 ein die Erwärmung des
genannten Leistungsschalters abbildendes Signal. Mit dem Temperaturfühler und
einem Referenzwertgeber 10 verbundene Vergleichsmittel 9 steuern
das Auslöserelais
an, wenn das Temperatursignal einen vom Referenzwertgeber 10 gelieferten Ansprechwert übersteigt.
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Bei
der in 1 gezeigten Schaltung ist eine Schutzfunktion
durch Strommessung mit einer Schutzfunktion durch Temperaturmessung
kombiniert. Die Schutzfunktion durch Temperaturmessung wird dabei
im wesentlichen zum Schutz des Leistungsschalters verwendet.
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Bei
bekannten Auslösern
kann die Schutzfunktion durch Temperaturmessung weder für langzeitverzögerte thermische
Auslösefunktionen
noch für
kurzzeitverzögerte
Auslösefunktionen
verwendet werden.
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Darüber hinaus
werden die meisten Schutzrelais mit Strommessung in Wechselspannungsnetzen
eingesetzt. Um in allen Netzarten eingesetzt werden zu können, müssen bekannte
Schutzrelais komplexe und aufwendige Stromwandler umfassen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Schutzrelais können die
Schutzfunktionen durch Temperaturmessung für Langzeitverzögerungs-
und Kurzzeitverzögerungs-Schutzfunktionen
in Gleichspannungs- und Wechselspannungsnetzen verwendet werden.
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Der
Schaltungsaufbau eines Schutzrelais nach einer Ausgestaltung der
Erfindung ist in 2 dargestellt. In diesem Schaltungsaufbau
ist das Schutzrelais in einem Leistungsschalter mit Eingangsklemmen 11 und
Ausgangsklemmen 12 installiert, die zum Anschluß von Leitern
eines Leitungsnetzes dienen. Zwischen den Eingangsklemmen und den
Ausgangsklemmen sind Hauptleiter 5 in Reihe mit Kontakten 7 geschaltet.
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Bei
dieser Ausgestaltung sind den Hauptleitern 5 zugeordnete
Temperaturfühler 13a und 13b mit der
Verarbeitungseinheit 1 verbunden. Die Fühler liefern Temperaturen jedes Leiters
abbildende Signale T1 und T2 und gewährleisten gleichzeitig eine
galvanische Trennung zwischen den genannten Leitern und dem Schutzrelais.
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Die
Verarbeitungseinheit 1 des Schutzrelais umfaßt für jeden
Leiter eine Schutzfunktionsgruppe. Eine erste Schutzfunktionsgruppe 14a verarbeitet
die vom Fühler 13a zugeführten Signale
und eine zweite Funktionsgruppe 14b die Signale des Fühlers 13b.
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Ein
mit der Verarbeitungseinheit 1 verbundener Temperaturfühler 15 liefert
eine Umgebungstemperatur Ta abbildende Signale an die Auslösefunktionen
der Funktionsgruppen 14a und 14b. Der Fühler 15 ist
entfernt von den Leitern installiert. Ist der Fühler 15 in einem Leistungsschalter
installiert, kann er an der Vorderseite angeordnet werden.
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Einstellmittel 2c und 2d liefern
Signale an die Auslösefunktionen,
die Ansprechwerte für
den Langzeitverzögerungsschutz
bzw. für
den Kurzzeitverzögerungsschutz
abbilden.
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Jede
Auslösefunktionsgruppe
umfaßt
eine Kurzzeitverzögerungs-Schutzschaltung 16,
die mit einem von einem Fühler,
beispielsweise dem Fühler 13a gelieferten
Temperatursignal T1 sowie mit einem vom Einstellmittel 2d gelieferten
Signal für
den Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwert S3 beaufschlagt wird.
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Die
Kurzzeitverzögerungs-Schutzschaltung 16 liefert über ein
Gatter 20 einen Auslösebefehl, wenn
die Änderung
des Temperatursignals den Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwert S3 übersteigt. Die Änderung
des Temperatursignals kann durch Bildung der Ableitung des Temperatursignals
T1 nach der Zeit bestimmt werden.
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Die
Langzeitverzögerungs-Auslösefunktion wird
durch eine Schutzschaltung 17 realisiert, die mit dem,
von einem den Leitern zugeordneten Temperaturfühler gelieferten Temperatursignal
T1, einem vom Einstellmittel 2s gelieferten Signal für den Langzeitverzögerungs-Ansprechwert
S2 sowie einem vom Temperaturfühler 15 gelieferten
Umgebungstemperatursignal Ta beaufschlagt wird.
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Die
Langzeitverzögerungs-Schutzschaltung 17 liefert über das
Gatter 20 einen Auslösebefehl
an das Relais, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur
eines Leiters 5 und der Umgebungstemperatur einen Ansprechwert
des Einstellmittels 2c für den Langzeitverzögerungsschutz übersteigt. Zur
Ausführung
dieser Langzeitverzögerungs-Schutzfunktion
berechnet die Schaltung 17 die Differenz zwischen den von
den Fühlern 13a bzw. 15 gelieferten
Signalen T1 und Ta und vergleicht anschließend diese Differenz mit dem
vom Einstellmittel 2c gelieferten Ansprechwertsignal S2.
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Mit
Hilfe einer dritten Auslösefunktion
können
die Leiter 5 gegen eine unzulässige Temperaturerhöhung geschützt werden.
Diese Funktion wird durch eine Schutzschaltung 18 gewährleistet,
die mit dem, dem Leiter zugeordneten Temperaturfühler 13a verbunden
ist. Diese Schaltung beaufschlagt das Relais 4 über das
Gatter 20 mit einen Auslösebefehl, wenn das Temperatursignal
T1 einen bestimmten Ansprechwert S1 überschreitet.
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Die
Funktionsgruppe 14b ist hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise
mit der oben beschriebenen Gruppe 14a identisch. Das Temperatursignal
des der Funktionsgruppe 14b zugeordneten Leiters wird über den
Temperaturfühler 13b geliefert.
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3 zeigt
das Blockschaltbild einer Verarbeitungseinheit, in der die von den
Fühlern 13a und 13b gelieferten
Temperatursignale gruppenweise verarbeitet werden. Bei dieser Verarbeitungseinheit erlauben
die Maximumdetektoren eine Verringerung der Gesamtzahl der Schaltungen.
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Die
Verarbeitungseinheit aus 3 umfaßt einen Maximumdetektor 21,
der mit den Fühlern 13a und 13b verbunden
ist und an einem Ausgang ein Signal liefert, das den Maximalwert
der von den genannten Fühlern
gelieferten Temperaturwerte T1 und T2 abbildet. Ein Komparator 22 ist
mit dem Ausgang des Maximumdetektors 21 und einem, den
Auslöse-Ansprechwert
S1 liefernden Referenzwertgeber 23 verbunden. Überschreitet
eine der Temperaturen T1 oder T2 den Wert des Ansprechwerts S1,
sendet der Komparator 23 über das Gatter 20 ein
Auslösesignal
an das Relais 4.
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Für die Langzeitverzögerungs-Auslösefunktionen
umfaßt
die Verarbeitungseinheit eine mit den Fühlern 13a und 15 verbundene
erste Differenzberechnungsschaltung, eine mit den Fühlern 13b und 15 verbundene
zweite Differenzberechnungsschaltung und einen mit Ausgängen der
ersten bzw. der zweiten Differenzberechnungsschaltung 24a und 24b verbundenen
zweiten Maximumdetektor 25. Ein Komparator 26 umfaßt einen
mit einem Ausgang des Detektors 25 verbundenen ersten Eingang
sowie einen zweiten Eingang, welcher mit dem ein Signal für den Langzeitverzögerungs-Ansprechwert
S2 liefernden Einstellmittel 2c verbunden ist.
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Die
Schaltung 24a berechnet eine Temperaturdifferenz DT1 zwischen
dem vom Fühler 13a gelieferten
Temperaturwert T1 und dem vom Fühler 15 gelieferten
Umgebungstemperaturwert Ta. Die Schaltung 24b berechnet
eine Temperaturdifferenz DT2 zwischen dem vom Fühler 13b gelieferten
Temperaturwert T2 und dem Wert von Ta. Somit entspricht DT1 der Differenz
T1 – Ta
und DT2 der Differenz T2 – Ta.
DT1 und DT2 werden den Eingängen
des Detektors 25 zugeführt. Überschreitet
einer der Werte DT1 oder DT2 den Ansprechwert S1, sendet der Komparator 26 über das
Gatter 20 ein Auslösesignal an
das Relais 4.
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Für die Kurzzeitverzögerungs-Auslösefunktionen
umfaßt
die Verarbeitungseinheit eine erste Schaltung 27a und eine
zweite Schaltung 27b zur Berechnung der Temperaturänderung.
Die Temperaturänderung
wird durch Bildung der Ableitung der von den Fühlern 13a und 13b gelieferten
Temperatursignale nach der Zeit berechnet. Die mit dem ersten Fühler 13a verbundene
Schaltung 27a berechnet eine Änderung dT1/dt der Temperatur
T1 in Abhängigkeit
von der Zeit dt, und die mit dem Fühler 13b verbundene
Schaltung 27b eine Änderung
dT2/dt der Temperatur T2. Die Ausgänge jeder Schaltung 27a bzw. 27b sind
mit Eingängen
eines dritten Maximumdetektors 28 verbunden. Ein Komparator 29 umfaßt einen
mit einem Ausgang des Detektors 28 verbundenen ersten Eingang
sowie einen zweiten Eingang, welcher mit dem ein Signal für den Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwert
S3 liefernden Einstellmittel 2d verbunden ist.
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Der
Detektor 28 liefert den Maximalwert der Änderungen
dT1/dt bzw. dT2/dt an den Komparator 29. Überschreitet
eine der Änderungen
T1(dT1/dt) oder T2(dT2/dt) den Ansprechwert S3, beaufschlagt der
Komparator 29 über
das Gatter 20 das Relais 4 mit einem Auslösesignal.
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4 zeigt
eine andere Ausgestaltung einer Verarbeitungseinheit eines erfindungsgemäßen Relais.
In diesem Schaltungsaufbau wurden die Schaltungen 27a und 27b durch
andere Schaltungen 30a und 30b zur Änderungsberechnung
ersetzt. Die Schaltung 30a umfaßt einen mit dem Ausgang der Schaltung 24a verbundenen
Eingang, und die Schaltung 30b umfaßt einen mit dem Ausgang der
Schaltung 24b verbundenen Eingang. Ausgänge jeder Schaltung 30a bzw. 30b sind
mit den Eingängen
des dritten Maximumdetektors 28 verbunden.
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Bei
dieser Ausgestaltung verwenden die Änderungsberechnungsschaltungen 30a und 30b die Temperaturdifferenzwerte
DT1 bzw. DT2. Fließt
ein Überlaststrom
oder Kurzschlußstrom über den
genannten Leiter, ändert
sich die Umgebungstemperatur langsamer als die Temperatur eines
Leiters. Daher unterscheidet sich die Berechnung der Änderung d(T – Ta)/dt
bzw. d(T2 – Ta)/dt
einer die Temperaturdifferenz DT1 bzw. DT2 abbildenden Größe nur wenig
von der Berechnung der Änderung
d(T1)/dt bzw. d(T2)/dt der Temperatur T1 bzw. T2 des Leiters.
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Die
Berechnung der Änderung
d(T1 – Ta)/dt bzw.
d(T2 – Ta)/dt
erfolgt jedoch mit niedrigeren Werten (T1 – Ta < T1 und T2 – Ta < T2) und erlaubt eine höhere Genauigkeit
der Berechnung. Des weiteren erfolgt die Berechnung aufgrund der
niedrigeren Werte schneller und benötigt weniger Speicherkapazität, wenn
die beschriebenen Funktionen durch programmierte Schaltungen ausgeführt werden.
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Die
Temperaturabweichungen zwischen der Temperatur eines Leiters und
der Umgebungstemperatur eines Leistungsschalters sind nicht proportional zum
Strom, der über
den genannten Leiter fließt.
Um dieses nichtlineare Verhältnis
zu berücksichtigen, muß das einen
Ansprechwert für
den Langzeitverzögerungsschutz
liefernde Einstellmittel 2c vorzugsweise Signale liefern,
welche die Erwärmung
abbilden, die ein am genannten Einstellmittel 2c eingestellter Stromwert
erzeugt. Liefert das Einstellmittel Strom abbildende Signale, so
wandelt eine Umsetzschaltung 31 die einen Strom abbildenden
Signale S2a in eine Erwärmung
abbildende Signale S2b um. Bei der in 5 gezeigten
Anordnung ist die Umsetzschaltung 31 zwischen das Einstellmittel 2c und
den Komparator geschaltet. Bei dieser Schaltungsanordnung vergleicht
der Komparator das von der Schaltung 24a gelieferte Temperaturdifferenzsignal
DT1 mit dem korrigierten Ansprechwertsignal S2b.
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Tritt
ein Überlast-
oder Kurzschlußstrom
in einem kalten elektrischen Leiter auf, sind die Temperaturänderungen
stärker
als die Temperaturänderungen
an einem bereits erwärmten
Leiter. Um bei Auftreten eines elektrischen Fehlers die Ausgangssituation
des Leistungsschalters zu berücksichtigen,
umfaßt
die Verarbeitungseinheit eine Korrekturschaltung 32.
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Dies
führt dazu,
daß bei
einem durch das Einstellmittel 2c vorgegebenen Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwert
das an den Komparator gelieferte Signal für den Auslöseansprechwert S3 bei einem kaltem
Leiter höher
und bei einem warmem Leiter niedriger ist.
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Bei
der in 5 gezeigten Schaltungsanordnung ist eine Korrekturschaltung 32 zwischen
den Eingang des Komparators 29, der mit dem Ansprechwert
für eine
kurzzeitverzögerte Auslösung in
Abhängigkeit
von der Temperaturänderung
beaufschlagt wird, und dem Einstellmittel 2d geschaltet.
Außerdem
ist die Schaltung 32 mit der Schaltung 31 verbunden,
um ein den Langzeitverzögerungs-Ansprechwert
abbildendes Signal, beispielsweise S2B zu erhalten, und mit der
Schaltung 24a verbunden, um Signale zu erhalten, die Temperaturen
des Leiters T1 und die Umgebungstemperatur Ta abbilden. Auf diese
Weise erhält
die Korrekturschaltung 32 vom Einstellmittel 2d ein
Ansprechwertsignal S3a und liefert ein korrigiertes Ansprechwertsignal
S3b an den Komparator. Die Korrektur erfolgt in Abhängigkeit vom
Langzeitverzögerungs-Ansprechwert
und von der Temperatur des Leiters. Die Verwendung der Umgebungstemperatur
Ta und der Temperaturdifferenz T1 – Ta verbessert die Genauigkeit
der Korrektur.
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Gemäß anderen
Ausgestaltungen kann die Korrekturschaltung direkt mit dem Einstellmittel 2c verbunden
werden, um den Langzeitverzögerungs-Ansprechwert
aufzunehmen, sowie mit dem Fühler 13a bzw. 13b verbunden
werden, um den Temperaturwert der Leiter zu erhalten.
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6 zeigt
eine Ausgestaltung einer Änderungsberechnungsschaltung 27a.
Dieser Schaltungsaufbau kann für
die Schaltungen 27b, 30a und 30b identisch
sein. Die Änderungsberechnungsschaltung
umfaßt
am Eingang ein Abtastglied 33 zur Abtastung des Eingangssignals.
Eine mit einem Ausgang des Abtastglieds verbundene Speicherschaltung 34 speichert
eine bestimmte Anzahl von letzten Signal-Abtastwerten. Eine Minimum-Erfassungsschaltung 35 ist
mit der Speicherschaltung verbunden. Diese Schaltung 35 liefert
an ihrem Ausgang den niederwertigsten Wert der zuletzt gespeicherten Abtastwerte.
Anschließend
berechnet eine Berechnungsschaltung 36 mit einem, an das
Abtastglied angeschlossenen ersten Eingang und einem an die Schaltung 35 angeschlossenen
zweiten Eingang die Differenz zwischen dem vom Abtastglied gelieferten Wert
eines Abtastwerts T1t und dem niederwertigsten Wert T1min der letzten
gespeicherten Abtastwerte.
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Bei
dieser Ausgestaltung erlaubt die Schaltung 27a eine größere Meßdynamik
sowie eine größere Genauigkeit
bei sehr kleinen Temperaturänderungen.
Beträgt
z. B. die Anzahl der gespeicherten Abtastwerte 10, kann
nach zehn Abtastwerten eine langsame Temperaturänderung mit Genauigkeit detektiert
werden, da die Abweichung zwischen dem ersten und dem zehnten Abtastwert
größer ist
als die Abweichung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten.
Schnelle Änderungen
werden sofort bei den ersten Abtastwerten erkannt, da die Abweichung
entsprechend groß ist.
So erlaubt der Kurzzeitverzögerungsschutz
bei hohen Strömen
in den Leitern eine schnelle Auslösung.
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Die
Auslösefunktionen
werden vorzugsweise in programmierter Form durch Mikroprozessoren oder
Mikrocontroller ausgeführt.
Ein in 7 dargestelltes Ablaufdiagramm zeigt Schutzverfahren,
die in einem erfindungsgemäßen Relais
zum Einsatz kommen können.
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Während einer
Initialisierungsphase tastet die Verarbeitungseinheit die Werte
der Temperatursignale T1, T2, Ta (Schritt 37) ab und liest
die Ansprechwerte S2 und S3 zur Bestimmung der Werte der Langzeitverzögerungs-Ansprechwerte
SLR und der Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwerte
SCR ein (Schritt 38).
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Anschließend werden
in jedem Arbeitszyklus die Temperaturwerte T1, T2 Ta abgetastet
(Schritt 39) und die letzten Abtastwerte von T1 und T2
in einem Schritt 40 gespeichert. Danach kann in einem Schritt 41 ein
Zähler
die Anzahl der Verarbeitungsvorgänge des
Kurzzeitverzögerungsschutzes
im Verhältnis
zur Anzahl der Verarbeitungsvorgänge
des Langzeitverzögerungsschutzes
zählen.
So können
mehr Verarbeitungsvorgänge
des Kurzzeitverzögerungsschutzes
als Verarbeitungsvorgänge
des Langzeitverzögerungsschutzes
vorliegen und die kurzzeitverzögerte
Auslösung
bei hohen Strömen
beschleunigen.
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Während der
Verarbeitung der thermischen Langzeitverzögerungs-Schutzfunktionen werden
in einem Schritt 42 die Temperaturdifferenzen DT1 = T1 – Ta und
DT2 = T2 – Ta
berechnet. Anschließend
werden in einem Schritt 43 die Langzeitverzögerungs-Ansprechwerte SLR
und die Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwerte
SCR berechnet. Die Ansprechwerte werden in jeder Langzeitverzögerungsschleife berechnet,
da sich die Einstellwerte der Einstellmittel 2c und 2d ebenso
wie die Anfangstemperaturen der Leiter ändern können. In einem Schritt 44 wird
ein Maximalwert DT der Temperaturdifferenzen DT1 und DT2 erfaßt. Anschließend wird
in einem Schritt 45 ein Alarm abgesetzt, wenn der Maximalwert
DT einen Ansprechwert überschreitet,
der dem Langzeitverzögerungs-Ansprechwert SLR
proportional ist, wenn also beispielsweise DT größer ist als 0,95 SLR.
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Am
Ende der Verarbeitungsfolge des Langzeitverzögerungsschutzes (Schritt 46)
wird der Maximalwert DT der Temperaturdifferenz mit dem Langzeitverzögerungs-Ansprechwert
(SLR) verglichen. Ist DT größer als
SLR, wird in einem letzten Schritt 49 ein Auslösebefehl
an das Relais 4 erteilt. Im entgegengesetzten Fall erlaubt
ein Schritt 47 die Fortsetzung der Verarbeitung und die
Ausführung
der Kurzzeitverzögerungsfunktion.
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In
einem Schritt 47 berechnet die Verarbeitungseinheit die Änderungen
d(T1)/dt und d(T2)/dt der Leitertemperaturwerte und ermittelt aus
den beiden Änderungswerten
einen Maximalwert d(T)/dt. Die Berechnung kann wie in der Schaltung
aus 6 durch Verwendung des letzten Abtastwerts T1t
und des kleinsten Wertes der im Schritt 40 gespeicherten letzten
Abtastwerte erfolgen.
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Danach
wird in einem Schritt 48 der Maximalwert d(T)/dt der Änderungen
mit dem Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwert
SCR verglichen. Ist d(T)/dt größer als
SCR, wird in Schritt 49 ein Auslösebefehl erteilt. Andernfalls
kehrt die Verarbeitung zu Schritt 39 mit Erfassung von
Abtastwerten der Temperaturwerte T1, T2 et Ta und anschließender Speicherung in
Schritt 40 zurück.
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Ist
in Schritt 41 eine Verarbeitung der Langzeitverzögerungsfunktionen
nicht erforderlich, verzweigt die Verarbeitung zu Schritt 47.
Der Zähler kann
beispielsweise in Schritt 41 die Verarbeitung der Langzeitverzögerungsfunktionen
anstoßen,
wenn er die Kurzzeitverzögerungsfunktionen
achtmal ausgeführt
hat.
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Die 8a bis 8d veranschaulichen
die Funktionsweise eines Schutzrelais nach einer Ausgestaltung der
Erfindung. Das Diagramm aus 8a zeigt
einen Strom I, der über
einen Leiter 5 des Leitungsnetzes fließt. Die Kurve in 8b zeigt
die durch den Stromfluß I
bewirkte Differenz zwischen der Temperatur eines Leiters und der
Umgebungstemperatur DT1 = (T1 – Ta).
Die Kurve aus 8c zeigt die Temperaturänderung
d(T1)/dt des Leiters entsprechend der Ableitung der Temperatur T1
nach der Zeit. 8d schließlich zeigt die an das Relais 4 gesandten
Auslösebefehle
COM4.
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Zum
Zeitpunkt t1 beginnt der Strom I zu fließen. Sein Wert liegt unterhalb
eines Ansprechwerts ISRL, bei dem ein Schutzrelais nicht die Auslösung der
Abschaltung eines Leistungsschalters bewirken darf. Die Temperaturdifferenz
DT1(T1 – Ta)
ist anfänglich
gering, steigt danach an und stabilisiert sich bei einem Wert unterhalb
eines thermischen Langzeitverzögerungs-Auslöse-Ansprechwerts
SLR. Die Änderung
d(T1)/dt ist anfänglich
groß und
nimmt anschließend
nach Stabilisierung der Temperatur ab.
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Zu
einem Zeitpunkt t2 überschreitet
der Strom I den Ansprechwert ISRL. Die Temperaturdifferenz DT1 steigt
an und überschreitet
zu einem Zeitpunkt t3 den Ansprechwert SLR. Das Auslöserelais wird
mit einem Steuerbefehl COM4 beaufschlagt, um den Strom I zu unterbrechen.
Anschließend
nimmt die Temperaturdifferenz DT1 ab, da der Strom nicht mehr über den
Leiter fließt.
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Danach
beginnt der Strom I zu einem Zeitpunkt t4 erneut zu fließen, und
die Temperaturdifferenz DT1 nimmt zu. Zu einem Zeitpunkt t5 steigt
der Strom an und überschreitet
den Ansprechwert ISCR, die Temperaturdifferenz DT1 steigt infolgedessen schneller
an, und die Änderung
von T1(d(T1)/dt) ist sehr steil. Zu einem Zeitpunkt t6 überschreitet
die Änderung
d(T1)/dt den Kurzzeitverzögerungs-Auslöse-Ansprechwert
SCR, und es wird ein Auslösebefehl
COM4 an das Relais 4 gesandt.
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In 8c zeigt
eine, einen Ansprechwert S3 abbildende Kurve eine mögliche Korrektur
des Kurzzeitverzögerungs-Ansprechwerts
in Abhängigkeit vom
Wert der Temperatur T1 des Leiters.
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Die
beschriebenen und in den 2, 3 und 4 dargestellten
Ausgestaltungen eignen sich besonders für Gleichspannungsnetze mit
einem Leiter für
die positive Polarität
und einem Leiter für die
negative Polarität.
Allerdings ist die Erfindung auch auf Schutzrelais anwendbar, die
bei Wechselspannung arbeiten und einen oder mehrere geschützte Pole
für Einphasen-
oder Dreiphasennetze umfassen.
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Die
in den Figuren beschriebene Verarbeitungseinheit umfaßt zwei
Auslösefunktionsgruppen, von
denen jede einem Leiter zugeordnet ist. Allerdings ist die Erfindung
auch bei einer anderen Anzahl von Funktionsgruppen, beispielsweise
drei oder vier anwendbar. Darüber
hinaus ist es möglich,
mehrere Temperaturfühler
pro zu schützendem
Leiter zu verwenden.
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Die
für die
Verarbeitungseinheit verwendeten Schaltungen können als analoge, digitale
oder programmierte Schaltungen ausgebildet sein. Die Temperaturfühler sind
vorzugsweise als Halbleiterelemente ausgebildet, jedoch sind auch
andere Bauarten wie Thermistoren oder Thermoelemente denkbar.