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Stromrichtungsabhängige Schutz- oder Überwachungseinrichtung für Wechselstromanlagen
Es ist bereits bekannt, stromrichtungsabhängige Betätigungen, wie die Auslösung
von Schalbern, die Einschaltung des Zündstromkreises ferngesteuerter Sicherungen
u. dgl., über Schaltkontakte unter Anwendung von Relais, z. B. Ferrarisrelais, vorzunehmen.
Die Betätigung von Kontakten in feuer-und explosionsgefährlichen Betrieben ist aber
nicht ohne weiteres zulässig, so daß zu diesem Zweck entweder an den Kontaktstellen
besondere Vorkehrungen erforderlich werden oder die Einrichtungen an entfernten
Stellen anzuordnen sind, wofür wieder besondere Leitungen benötigt werden.
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Die Erfindung hat nun eine stromrichtungsabhängige Schutz- oder Überwachungseinrichtung
für Wechselstromanlagen zum Gegenstand, bei der zur Betätigung von Schaltern u.
dgl. keine besonderen Kontaktstellen erforderlich sind. Gemäß der Erfindung wird
die Auslösung durch den Wechselspannungsabfall an einer gleichstromvormagnetisierten
Drossel beeinflußt, deren. Vormagnetisierung durch den Leitungswechselstrom gesteuert
wird. Die Spaltung der Gleichstromwicklung der Drossel findet hierbei von zwei gleichgerichteten
Wechselstrom- bzw. Wechselspannungskomponenten statt, von denen die eine praktisch
unveränderliche Komponente einem Wechselstromnetz und die andere strom- und stromrichtungsabhängige
veränderliche Komponente Wandlern oder äquivalenten Einrichtungen
entnommen
wird. Die Komponenten können aus mehreren Einzelkomponenten, beispielsweise den
drei Phasen eines Wechselstromnetzes, zusammengesetzt sein. Zur Erzielung von phasenwinkelabhängigen
Auslösungen wird vorteilhaft eine der Komponenten gegenüber der anderen in der entsprechenden
Höhe und Richtung phasenverschoben. Um eine sichere Auslösung auch dann zu erzielen,
wenn die Netzspannung auf einem niedrigen Wert zusammengebrochen ist, ist vorteilhaft
die veränderliche Komponente wesentlich kleiner als die nicht veränderliche Komponente.
Zu diesem Zweck wird die Einrichtung so beschaffen, daß der an den Wandlern oder
äquivalenten Einrichtungen auftretende Strom bzw. die Spannung einen bestimmten
Höchstwert nicht Überschreitet. Dies kann beispielsweise durch die Anwendung besonders
ausgebildeter Stromwandler, beispielsweise solcher mit Luftspalten, erfolgen. Es
können aber auch parallel zu den Sekundärwicklungen der Wandler od. dgl. spannungsabhängige
Widerstände geschaltet werden, die die Sekundärspannung auf einen bestimmten Höchstwert
begrenzen. Um den an der Wechselstromwicklung der gesättigten Drossel auftretenden
Spannungsabfall zu hindern, einen Strom durch die Auslöseorgane hervorzurufen, wird
parallel zu den letzteren eine Sicherung geschaltet, die bei dem Ansprechstrom zerstört
wird und danach die auszulösende Einrichtung einschaltet. In Fällen, wo die Auslösung
erst nach einer Zeitverzögerung stattfinden soll, wird hierfür beispielsweise eine
träge Sicherung, ein Wärmeauslöser ad. dgl. angewendet. Vorteilhaft wird als Drossel
eine solche angewendet, bei der in der Gleichstromwicklung keine Spannung induziert
wird. Zur Verringerung des Aufwandes kann es jedoch in gewissen Fällen von Vorteil
sein, eine solche Drossel anzuwenden, bei der in der Gleichstromwicklung von der
Wechselstromwicklung eine Wechselspannung induziert wird, die die praktisch unveränderliche
Wechselspannungskomponente darstellt, so daß für die letztere ein besonderer Transformator
nicht erforderlich ist.
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Die Erfindung ist in den Fig. i bis 4 beispielsweise dargestellt.
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Fig. i zeigt die Erfindung in Verbindung mit einem einphasigen Wechselstromnetz;
Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zur Erzielung einer trägen Auslösung; Fig.3 zeigt
die Anwendung der Erfindung an einem Dreiphasennetz, und Fig.4 zeigt eine weitere
Ausführungsform der Erfindung.
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Bei der in Fig. i dargestellten Einrichtung zur stromrichtungsabhängigen
Auslösung einer ferngesteuerten Sicherung ist in einer Leitung io eines Wechselstromnetzes
ein Wandler i i vorgesehen, dessen Sekundärkreis durch einen Widerstand i i geschlossen
ist. Der Wandler, der zweckmäßig ein Sonderwandler mit z. B. einem Luftspalt oder
einem Massekern mit vorteilhaft gleichmäßiger geringer Permeabilität ist, ist so
beschaffen, daß sich die am Widerstand ii erscheinende Spannung nahezu pro-' portional
zu der durch die Leitung io fließenden Stromstärke verhält. Im Zuge der Leitung
io ist auch eine ferngesteuerte Sicherung 12 eingeschaltet, die eine Zündmasse 13
enthält, in der ein Zündwiderstand 14 od. dgl. eingebettet ist.
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Zur Speisung des Zündwiderstandes ist hierbei ein besonderes Wechselstromnetz
15 vorgesehen, doch kann hierfür auch das überwachte Netz verwendet werden. Parallel
zum Wechselstromnetz ist in Reihenschaltung die Wechselstromwicklung 16 einer gleichstromvormagnetisierten
Drossel 17 und ein Widerstand 18 geschaltet, während der Zündwiderstand 14 gegebenenfalls
in Reihe mit einem Widerstand i9 parallel zur Wicklung 16 liegt. Die Drossel 17
ist normalerweise durch eine Gleichstromwicklung 2o vormagnetisiert, so daß am Zündwiderstand
14. normalerweise praktisch keine Spannung erscheint. Die Vormagnetisierung erfolgt
von einer Stromquelle mit praktisch konstanter Spannung und in Verbindung mit der
am Wandlerwiderstand i i' erscheinenden Spannung. Als Stromquelle praktisch konstanter
Spannung wird hierbei das Wechselstromnetz 15 angewendet, wobei angenommen ist,
daß das Netz 15 mit dem überwachten Netz synchronisiert ist. Die Speisung der Wicklung
2o erfolgt unmittelbar von einem Zweiweggleichrichter 2i, der eingangsseitig vom
Netz 15 und der am Wandlerwiderstand i i' auftretenden Spannung, gegebenenfalls
in Reihenschaltung mit einem Schutzwiderstand 22, gespeist wird. Die Schaltung ist
dabei derart, daß sich die beiden Spannungen bei normaler, z. B. der durch den Pfeil
23 dargestellten Leistungsrichtung addieren, wobei die Speisung vom Netz 15 allein
zur Sättigung der Drossel 17 ausreichend ist. Bei ansteigendem, durch den (Leiter
io in der normalen Richtung fließendem Strom steigt zwar der durch die Wicklung
2o fließende Sättigungsstrom an, es wird aber an den Leitungen 24, 25 parallel zur
Drosselwicklung 16 keine Spannungsänderung bewirkt. Die Bemessung der Drossel, die
Wahl der Spannungen u. dgl. ist ferner derart, daß ebenfalls keine Spannungsänderung
eintritt, wenn kein'Strom durch die Leitung io fließt. Ist jedoch der Fluß der Leitung
entgegengesetzt zur Richtung des Pfeiles 23, dann wird die am Wandlerwiderstand
ioerscheinende Spannungskomponente um 18o elektrische Grade verschoben und wirkt
entgegengesetzt zu der Spannungskomponente des Netzes 15. Hierdurch wird die Gleichstromvormagnetisierung
der Drossel 17 durch die Wicklung 2o verringert, und es erscheint zwischen den Leitungen
24, 25 eine Spannung, bzw. es entsteht ein Spannungsanstieg an der Drossel. Durch
entsprechende Wahl der Spannung des Netzes 15, der Bemessung des Wandlers i i der
Widerstände ii' und i9 und der Drossel 17 ist es leicht möglich, die Zündmasse 17
bei einem bestimmten Rückstrom zur Zündung zu bringen.
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Infolge des Spannungsabfalles an der Wicklung 16 bei gesättigter Drossel
17 fließt jedoch ein geringer Strom durch den Zünd-,viderstand 14. Um diesen Stromdurchfluß
zu verhindern, wird parallel zum Widerstand 14 eine vorteilhaft flinke Sicherung
26
geschaltet, die somit einen Nebenweg zur Drosselwicklung 16 bildet.
Bei einem bestimmten Rückstrom wird bei dieser Anordnung erst die Sicherung zum
Ansprechen gebracht, nach deren Zerstörung der Zündwiderstand eingeschaltet wird.
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In gewissen Fällen kann nun die Forderung gestellt sein, die Zündung
erst dann zu vollziehen, wenn der Rückstrom während einer bestimmten Zeit in einer
bestimmten Höhe bestanden hat. In einem solchen Fall wird beispielsweise parallel
zum Zündwiderstand 14. eine träge abschaltende Schmelzsicherung 26 geschaltet. Infolge
des verzögerten Ansprechens der Sicherung 26 wird diese erst durchgeschmolzen, wenn
die Leistungsrücklieferung während eines bestimmten Zeitraumes und in einer bestimmten
Höhe bestanden hat.
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An Stelle einer trägen Sicherung kann auch jede andere träge wirkende
Einrichtung, z. B. Wärmeauslöser, zur Anwendung gelangen. Ein solcher ist in der
Fig.2 dargestellt. Er besteht aus einem normalerweise gegen einen Kontakt 27 anliegenden
Bimetallstreifen 28, der durch den Widerstand 29 erwärmt wird und normalerweise
den Zündwiderstand 14. kurzschließt. Hat ein Rückstrom während einer bestimmten
Zeit bestanden, dann wird der Bimetallstreifen 28 infolge seiner Erwärmung nach
dem Ablauf einer bestimmten Zeit von Kontakt 27 wegbewegt, so daß der Widerstand
14 Spannung erhält und unmittelbar durchschmelzen kann.
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Diese ein verzögertes Ansprechen bewirkenden Maßnahmen eignen sich
insbesondere zur selektiven Auslösung von Schaltern, wobei die Auslösespule der
Schalter an die Stelle des oder der Zündwiderstände geschaltet wird.
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Es kann nun auch der Fall eintreten, daß die Auslösung bei Rückströmen
bestimmter Phase stattfinden soll. Beispielsweise wenn ein Einspeisungstransformator
eines mehrseitig gespeisten Netzes primärseitig abgeschaltet ist und Erregerstrom
aus dem Netz, d. h. entgegengesetzt zur Richtung des Pfeiles 23, aufnimmt. Eine
sich dafür eignende Einrichtung ist in Fig. 3 an einem Dreiphasennetz dargestellt.
In den drei Phasenleitungen R, S, T sind hierbei ferngesteuerte Sicherungen 12 eingeschaltet,
deren Zündwiderstände 14 in Parallelschaltung parallel zur Drosselwicklung 16 liegen.
Zur Erzielung einer trägen Auslösung der Sicherungen 12 wird ebenfalls eine träge
Maßnahme angewendet, die hierbei in der Parallelschaltung einer trägen Sicherung
26 zur Wicklung 16 besteht. Die Speisung der Gleichstromwicklung 2o erfolgt ebenfalls
_iiber einen Widerstand 22.
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Ähnlich wie bei derAusführungsform nach Fig. i geschieht dies von
zwei Spannungen, und zwar der Spannung eines Transformators 3o, der aus dem überwachten
Netz gespeist wird, und in Abhängigkeit der an Wandlern 31, 32; 33 parallel geschalteten
Widerständen 31', 32', 33' erscheinenden Spannung. Die Aufschaltung der Primärwicklung
34. auf das Drehstromnetz R, S, T geschieht über einen Phasenschieber 35, dessen
Zweck noch später erläutert werden wird. Die drei in Stern geschalteten Sekundärwicklungen
36 sind mit den Sekundären der Wandler 3 i, 32, 33 der entsprechenden Phase in Reihe
geschaltet. Sie liegen ferner mit Stromrichtern 37, 38, 39 in Reihe, so daß der
Wicklung 2o nur die Halbwellen einer Polarität zugeführt werden. Zur Glättung des
Gleichstromes wird der Wicklung 2o vorteilhaft ein Kondensator 40 parallel geschaltet.
Die Schaltung der Sekundärwicklungen 36 gegenüber den Widerständen 31', 32', 33'
der Wandler 31, 32, 33 ist hierbei ebenfalls derart, daß sich bei der durch den
Pfeil 23 dargestellten Leistungsrichtung, die als die normale Leistungsrichtung
anzusehen ist, die Spannungskomponenten der Sekundärwicklungen 36 und der Widerstände
31', 32', 33' addieren. Die Sekundärspannung des Transformators 30 ist dabei
derart, daß, wenn an den Wandlerwiderständen keine Spannung herrscht, die Drossel
17 gesättigt ist und an den Leitungen 2d., a5 praktisch keine Spannung erscheint.
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Die Drossel 17 ist bei dieser Ausführungsform so ausgeführt, daß an
der Gleichstromwicklung 2o keine von der Wicklung 16 herrührende Spannung induziert
wird. Es sind zu diesem Zweck, wie dargestellt, zwei Drosselwicklungen 16, 16' auf
besonderen Schenkeln vorgesehen, um welche die Gleichstromwicklung 20 gewickelt
ist.
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Bei irgendeiner Belastung in der normalen Leistungsrichtung wird der
durch die Wicklung 2o fließende Gleichstrom erhöht, so daß sich die Spannungsverhältnisse
zwischen den Leitungen 24., 25 nicht verändern. Erfolgt jedoch ein Leistungsaustausch
entgegengesetzt zur Richtung des Pfeiles 23, dann wird die Spannung an den Wandlerwiderständen
31', 32', 33' entgegen der Spannung der entsprechenden Sekundärwicklungen des Transformators
3o. Hierdurch wird der durch die Wicklung 20 fließende Gleichstrom entsprechend
verringert, und es entsteht eine Spannung zwischen. den Leitungen 2q., 25. Bei einem
bestimmten Wert dieser Spannung und wenn diese während einer bestimmten Zeit bestanden
hat, wird die Sicherung 26 durchschmolzen, so daß die an der Wicklung 16 erscheinende
Spannung auf die Zündwiderstände 14. übergeschaltet wird, die auf diese Weise die
Zündung der Zündmasse 13 und die Zerstörung der Hauptschmelzleiter bewirkt.
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Es ist nun auch der Fall möglich, daß der Rückstrom plötzlich einen
so hohen Wert annimmt, daß die an denWandlerwiderständen erscheinende Spannung die
Sekundärspannung des Transformators 30 so stark Überschreitet und unterdrückt, daß
die Drossel 17 wieder voll gesättigt ist. Infolge dieser kurzzeitigen Leistungsumkehr
hat aber die träge wirkende Sicherung26 nicht angesprochen. Um dies auszuschließen,
werden gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Wandler 3 i, 32, 33 so ausgebildet,
beispielsweise durch Anwendung von Luftspalten, magnetischen Nebenschlüssen od.
dgl., daß die an den Widerständen 31', 32', 33' erscheinende Spannung einen bestimmten
Wert nicht überschreiten kann. Die Sekundärspannung des Transformators
30 dagegen erhält einen solchen normalen Wert, daß diese Spannung niemals
vollständig von der Spannung an den Wandlerwiderständen unterbrückt
werden
kann. Die Sekundärspannung des Transformators 30 wird ferner so gegenüber
der an den Widerständen 3 i', 32', 33' der Wandler 3 i, 32, 33 erscheinenden
Spannung ausgelegt, daß selbst bei zum Teil zusammengebrochener Spannung des Drehstromnetzes
bei Rückströmen eine ausreichende Entsättigung der Drossel 17 und somit ein Ansprechen
der Sicherung 26 und die sichere Zündung der Zündmasse 13 erfolgt.
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Damit die Spannung an den Wandlerwiderständen 31', 32', 33' einen
bestimmten Wert nicht überschreitet, können zu diesen auch spannungsabhängige Widerstände
41, wie Thyritwiderstände, parallel geschaltet werden.
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An Stelle der Einschaltung der Zündwiderstände ferngesteuerter Sicherungen
kann mit dieser Einrichtung auch vorteilhaft die Auslösung von Leistungsschaltern
od. dgl. vollzogen werden. In einem solchen Fall wird von den Leitungen 24, 25,
zwischen denen auch zweckmäßig eine träge Sicherung 26 od. dgl. geschaltet ist,
die Auslösespule 42 eines Schalters od. dgl. geschaltet. Besteht an der Wechselstromwicklung
16 infolge Rückstrom während einer bestimmten Zeit eine bestimmte Spannung, dann
wird die Sicherung 26 od. dgl. zum Ansprechen gebracht, und es erscheint die volle
Spannung der Wicklung 16 an der Auslösespule 42, deren Anker 43, auf diese Weise
angezogen wird und die Entklinkung oder eine sonstige Auslösung bewirkt. Die träge
Sicherung od. dgl. träge schaltende Einrichtung ist natürlich nicht erforderlich,
wenn die Auslösung des Leistungsschalters, der ferngesteuerten Sicherung od. dgl.
uriverzögert erfolgen soll.
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Um den Aufwand der Einrichtung zu verringern, wird gemäß Fig. 4 die
Drossel 17 gleichzeitig als Transformator benutzt. Sie ist hierbei -im Gegensatz
zu der bei Fig. 3 angewendeten Drossel so beschaffen, daß in die Gleichstromwicklung
2o von der Drosselwicklung 16 transformatorisch eine Spannung induziert wird, die
der Wechselstromkomponente entspricht, die bei der Anordnung nach Fig. 3 durch den
Transformator 30 in den Gleichstromkreis eingeführt wird. Die Speisung der Drossel
17 erfolgt von dem überwachten Netz über einen Widerstand 18, während der Wandlerwiderstand
i i' mit der Gleichstromwicklung 2o ähnlich und mit derselben Wirkung wie bei den
Anordnungen nach Fig. i und 3, bezüglich der in der Wicklung 2o induzierten Wechselspannung,
im entsprechenden Sinn in Reihe geschaltet ist. Zur Auslösung der Zündwiderstände
14 bei einem Rückstrom bestimmter Phase wird die Drosselwicklung 16 über den gestrichelt
dargestellten Phasenschieber 44 gespeist, oder die Spannung am Wandlerwiderstand
i i' wird erst nach entsprechender Phasenschiebung durch den gestrichelt dargestellten
Phasenschieber 44' in den Sättigungskreis eingeführt. Es können natürlich auch beide
Phasenschieber 44, 44@ gleichzeitig angewendet werden.
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Der durch die Wicklung 2o bei unbelastetem Netz fließende Strom, der
nur durch die in .der Wicklung 2o induzierte Spannung hervorgerufen wird, sättigt
die Drossel normalerweise derart, daß der durch die Sicherung 26 fließende Strom
nicht ausreicht, diese zu zerstören.
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Bei normaler Belastung des Netzes in der durch -den Pfeil 23 dargestellten
Leistungsrichtung unterstützt die Spannung am Wandlerwiderstand i i' die Sättigung
der Drossel, so daß die an der Drosselwicklung 16 auftretende Spannung und der durch
die Wicklung 26 fließende Strom geringer werden.
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Ist jedoch der Fluß der Leistungsrichtung entgegengesetzt zur Richtung
des Pfeiles, dann wirkt die Wechselspannungskomponente des Wandlerwiderstandes ii'
entgegengesetzt zu der der Wicklung 2o. Infolgedessen sinkt der gleichgerichtete,
durch die Wicklung 2o fließende Strom ab, die Sättigung wird geringer, und es erscheint
an der Wicklung 16 eine höhere Wechselspannung. Hierdurch steigt der durch die Sicherung
26 fließende Strom an, der diese schließlich bei einem bestimmten Wert zum Ansprechen
bringt, wonach die Zündwiderstände 14 Spannung erhalten und die Zündung der Zündmasse
13 erfolgt, welche die Abschaltung durch Zerstörung der Sicherungen 12 vollziehen.
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Diese Einrichtung ermöglicht es auch, daß bei entsprechender Ausbildung
und. Bemessung der ein-. zelnen Teile durch den Wandlerstrom von der Wicklung 2o
in die Wicklung 16 eine Spannung induziert wird, wenn die Netzspannung infolge Kurzschluß
der Netzleitungen ausbleibt, so däß auch den Zündwiderständen bei derartigen extremen
Fehlerverhältnissen eine Zündspannung zugeführt wird und eine Auslösung erfolgt.
Die in der Wicklung 2o induzierte Wechselspannung besteht hierbei infolge des zwischengeschalteten
Gleichrichters aus den Halbwellen einer Polarität der am Wandlerwiderstand i i'
bei Überlastungen auftretenden Wechselspannung.
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Die letztere Anordnung ist natürlich bei beiden Leistungsrichtungen
wirksam.