DE9116633U1 - Overcurrent protection device for AC and three-phase systems as well as protection system for low, medium or high voltage networks - Google Patents
Overcurrent protection device for AC and three-phase systems as well as protection system for low, medium or high voltage networksInfo
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Description
18.02.1993 - 1 - SC/AR 51O45G18.02.1993 - 1 - SC/AR 51O45G
VEBA Kraftwerke Ruhr AG Bergmannsglückstr.41-43VEBA Kraftwerke Ruhr AG Bergmannsglückstr.41-43
Überstrom-Schutzeinrichtung für Wechsel- und Drehstromanlagen sowie Schutzsystem für Nieder-, Mittel- oder HochspannungsnetzeOvercurrent protection device for AC and three-phase systems as well as protection system for low, medium or high voltage networks
Die Erfindung betrifft eine Überstrom-Schutzeinrichtung für Wechsel- und Drehstromanlagen sowie ein Schutzsystem für Nieder-, Mittel- oder Hochspannungsnetze.The invention relates to an overcurrent protection device for alternating and three-phase current systems as well as a protection system for low, medium or high voltage networks.
Überstrom-Schutzeinrichtungen der eingangs genannten Art werden verwendet zum Schutz von elektrischen Verbrauchern, wobei in dem abzusichernden Stromstrang eine Strommessung erfolgt und ein Unterbrechen des Stromstranges dann stattfindet, wenn der im Stromstrang fließende Strom den zulässigen Wert überschreitet.Overcurrent protection devices of the type mentioned above are used to protect electrical consumers, whereby a current measurement is carried out in the current path to be protected and the current path is interrupted if the current flowing in the current path exceeds the permissible value.
Es ist bekannt, für die Messung des Stromes einen induktiven Stromwandler einzusetzen, welcher über ein Schutzrelais einen Leistungsschalter ansteuert, der beim ÜberschreitenIt is known to use an inductive current transformer to measure the current, which controls a circuit breaker via a protective relay, which, when the limit is exceeded,
des zulässigen Stromes eine Unterbrechung des Stromes bewirkt. Die Abschaltzeit, also die Zeitdauer zwischen dem Auftreten eines Fehlers und der tatsächlichen Unterbrechung des Strompfades setzt sich dabei zusammen aus der Meßzeit des Schutzrelais, der Kontaktschließzeit des Relaiskontaktes und der Zeitdauer für die Ausschaltung bis zur Lichtbogenlöschung im Leistungsschalter.of the permissible current causes an interruption of the current. The switch-off time, i.e. the time between the occurrence of a fault and the actual interruption of the current path, is made up of the measuring time of the protective relay, the contact closing time of the relay contact and the time for switching off until the arc is extinguished in the circuit breaker.
Bei herkömmlichen Schutzeinrichtungen liegt die gesamte Abschaltzeit bei mindestens 0,15 Sekunden. Diese Verzögerungszeiten bis zum sicheren Abschalten des Stromes wirken sich dahingehend aus, daß bis zur Lichtbogenlöschung, d.h. bis zum Ende des Stromflusses bereits erhebliche Zerstörungen im Verbraucherbereich stattfinden können.With conventional protective devices, the total shutdown time is at least 0.15 seconds. These delay times until the current is safely switched off mean that considerable damage can already occur in the consumer area before the arc is extinguished, i.e. before the current flow stops.
Andererseits sind sogenannte "Stoßstrombegrenzungselemente" bekannt, die als zusätzliche Schutzeinrichtung das Auftreten von unzulässig hohen Kurzschlußströmen verhindern. Solche Elemente sprechen auf den zeitlichen Stromanstieg in einem Stromstrang an und beinhalten eine Patrone, welche bei Überschreitung eines vorgegebenen zeitlichen Stromanstieges explodiert. Diese Lösung führt zwar prinzipiell zu einer Verkürzung der Abschaltzeit. Die Wiederinbetriebnahme einer solchen Vorrichtung setzt jedoch voraus, daß eine neue Patrone eingesetzt werden muß. Dies bedeutet einen zusätzlichen zeitlichen und personellen Aufwand.On the other hand, so-called "surge current limiting elements" are known, which act as additional protective devices to prevent the occurrence of impermissibly high short-circuit currents. Such elements respond to the temporal current increase in a current path and contain a cartridge which explodes if a predefined temporal current increase is exceeded. In principle, this solution leads to a reduction in the shutdown time. However, restarting such a device requires that a new cartridge be inserted. This means additional time and personnel expenditure.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Überstromschutzeinrichtung der eingangs genannten Art dergestalt weiterzuentwickeln, daß einerseits möglichst kurze Auslösezeiten bei einem Fehlerstrom erreicht werden können und andererseits die Betriebs- und Investitionskosten herabgesetzt werden.The invention is based on the object of further developing an overcurrent protection device of the type mentioned at the beginning in such a way that, on the one hand, the shortest possible tripping times can be achieved in the event of a fault current and, on the other hand, the operating and investment costs are reduced.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strommeßeinrichtung als ohmsche Meßstrecke ausgebildet ist, der eine mit einem voreinstellbaren Sollwert für den Strangstrom beaufschlagbare Vergleicherschaltung zugeordnet ist, mittels deren Ausgangssignal das Unterbrechungselement beim Überschreiten des zulässigen Strangstromes abschaltbar ist.This object is achieved according to the invention in that the current measuring device is designed as an ohmic measuring section, to which a comparator circuit is assigned that can be charged with a presettable setpoint value for the phase current, by means of whose output signal the interruption element can be switched off when the permissible phase current is exceeded.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß unmittelbar dann, wenn der von der ohmschen Meßstrecke festgestellte Strom einen vorgegebenen Sollwert überschreitet, das Unterbrechungselement angesteuert wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Überstromschutzelnrichtungen, die auf der Messung des Effektivwertes basieren, wird erfindungsgemäß zur Auslösung der Schutzeinrichtung direkt der stetige zeitliche Stromverlauf herangezogen. Eine Meßzeit über mehrere Halbwellen ist daher entbehrlich, so daß ein Fehlerstrom unmittelbar nach seinem Entstehen in der ersten Halbwelle als dl/dt-Signal detektiert wird. Eine solche Überstromschutzeinrichtung ist universell verwendbar, da durch die variable vorgebbare Einstellung des Sollwertes für die Vergleicherschaltung eine Anpassung an jeden gewünschten abzusichernden Strangstrom möglich ist. Anlaufvorgänge und betrieblich zulässige dynamische Stromanstiege können sicher selektiert werden und führen somit nicht zu einem ungewollten Ansprechen der Schutzeinrichtung. Die Verwendung einer ohmschen Meßstrecke für die Strommessung bietet darüber hinaus den Vorteil einer linearen Meßsignalgewinnung, so daß die aus dem Stand der Technik bei der Verwendung von Stromwandlern bekannten Sättigungserscheinungen vermieden werden.The invention is characterized in that the interruption element is activated immediately when the current determined by the ohmic measuring section exceeds a predetermined setpoint. In contrast to conventional overcurrent protection devices, which are based on measuring the effective value, the invention uses the continuous current over time to trigger the protective device. A measuring time over several half-waves is therefore unnecessary, so that a fault current is detected as a dl/dt signal immediately after it occurs in the first half-wave. Such an overcurrent protection device can be used universally, since the variable, predeterminable setting of the setpoint for the comparator circuit enables adaptation to any desired phase current to be protected. Start-up processes and operationally permissible dynamic current increases can be safely selected and thus do not lead to an unwanted response of the protective device. The use of an ohmic measuring section for current measurement also offers the advantage of linear measurement signal generation, so that the saturation phenomena known from the state of the art when using current transformers are avoided.
Weitere Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß durch das sofortige Ansprechen der Schutzeinrichtung die Zerstörung von im Stromkreis liegenden Komponenten auf ein Minimum reduziert werden kann. Da die bislang üblichen Stromwandler entfallen bzw. Leistungsschalter durch Lasttrennschalter ersetzt werden können, ergeben sich erhebliche Kostenvorteile.Further advantages of the invention are that the immediate response of the protective device means that the destruction of components in the circuit can be reduced to a minimum. Since the previously usual current transformers are no longer required and circuit breakers can be replaced by load-break switches, this results in significant cost advantages.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung das Unterbrechungselement als Halbleiterschalter ausgeführt ist. Hierdurch ergibt sich eine nahezu verzögerungsfreie Abschaltung nach Auftreten eines Fehlerstromes.It is particularly advantageous if, according to a special embodiment of the invention, the interruption element is designed as a semiconductor switch. This results in a virtually delay-free shutdown after the occurrence of a fault current.
Wenn der Halbleiterschalter ein Thyristor ist, erfolgt die Unterbrechung des Stromes unmittelbar am Ende der Halbwelle, in welcher der Überstrom festgestellt wurde. Hierzu lassen sich handelsübliche Thyristoren einsetzen, bei denen eine Stromfestigkeit bis zu mehreren tausend Ampere Stromtragfähigkeit im Bereich einer Halbwelle realisiert sind. Eine Erhöhung diese Stromtragfähigkeit bis zu 100 kA würde das gesamte Spektrum der Anwendungsfälle der hier zu betrachtenden Schaltanlagen abdecken.If the semiconductor switch is a thyristor, the current is interrupted immediately at the end of the half-wave in which the overcurrent was detected. Commercially available thyristors can be used for this purpose, with a current strength of up to several thousand amperes in the range of a half-wave. Increasing this current carrying capacity up to 100 kA would cover the entire spectrum of applications of the switchgear under consideration here.
Wenn die Versorgungsspannung für die Vergleicherschaltung und die Signalübertragungen mittels einer optischen Kopplung erfolgt, läßt sich eine galvanische Trennung zwischen dem Potential der Sammelschiene, auf der sich die Schutzeinrichtung befindet, und dem Potential der Peripherie erreichen.If the supply voltage for the comparator circuit and the signal transmission is provided by means of an optical coupling, a galvanic isolation can be achieved between the potential of the busbar on which the protective device is located and the potential of the periphery.
Eine praktisch einfache Ausführung ergibt sich dann, wenn die Übertragung mittels Lichtwellenleiter erfolgt.A practically simple implementation is achieved when the transmission is carried out via optical fiber.
Dadurch, daß das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung zusätzlich auf einen Lasttrennschalter geführt ist, läßt sich mittels der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung der Stromstrang dauernd abschalten. Ein solcher Lasttrennschalter ersetzt dann im praktischen Einsatz die Leistungsschalter aus dem Stand der Technik.Because the output signal of the comparator circuit is also fed to a load-break switch, the current path can be permanently switched off using the protective device according to the invention. In practical use, such a load-break switch then replaces the circuit breakers from the state of the art.
Eine bevorzugte Verwendung findet die Erfindung als Schutzsystem für Nieder-, Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen.The invention is preferably used as a protection system for low, medium and high voltage switchgear.
Insbesondere bei Netzen mit hierarchisch gegliederten Ebenen läßt sich die erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung vorteilhaft verwenden. Dabei ist jedem Strang eine Schutzeinrichtung zugeordnet, deren vorgebbarer Sollwert jeweils mit dem im entsprechenden Strang zulässigen Stromwert korrespondiert. Durch die somit der Hierarchie angepaßte Dimensionierung der einzelnen Schutzeinrichtungen läßt sich eine hohe Selektivität erreichen, die dennoch kürzestmögliche Auslösezeiten aufweist.The overcurrent protection device according to the invention can be used advantageously in particular in networks with hierarchically structured levels. Each line is assigned a protection device whose predeterminable setpoint corresponds to the current value permitted in the corresponding line. By dimensioning the individual protection devices in accordance with the hierarchy, a high level of selectivity can be achieved, which nevertheless has the shortest possible tripping times.
Wenn den jeweiligen Überstrom-Schutzeinrichtungen zusätzlich Verzögerungsschaltungen zugeordnet sind, deren Verzögerungszeiten der Netzhierarchie angepaßt sind, läßt sich eine sogenannte "rückwärtige Verriegelung" realisieren. Alle übrigen, ebenfalls vom Fehlerstrom beaufschlagten und hierarchisch übergeordneten Schutzeinrichtungen werden mit der "rückwärtigen Verriegelung" für die bestimmungsgemäße Abschaltzeit der Schutzeinrichtung blockiert.If additional delay circuits are assigned to the respective overcurrent protection devices, the delay times of which are adapted to the network hierarchy, a so-called "reverse interlock" can be implemented. All other protective devices that are also subject to the fault current and are hierarchically higher up are blocked with the "reverse interlock" for the intended switch-off time of the protective device.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to a drawing showing an embodiment.
Dargestellt ist in der Zeichnung ein Dreiphasennetz 1, von dem ein Stromstrang 2 abgzweigt ist, über den ein nicht dargestellter Verbraucher versorgt wird. Im Stromstrang 2 liegen in Reihe geschaltet ein Lasttrennschalter 8, ein Halbleiterschalter 5» der als Triac ausgeführt ist, und eine ohmsche Strommeßstrecke 4. Der Strommeßstrecke 4 nachgeordnet ist eine Vergleicherschaltung 6, welche einen Sollwert 7 enthält und welche über eine Lichtwellenleiterstrecke 11 aus einer Spannungsquelle 10 versorgt wird. Das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung liegt am Halbleiterschalter 5 an und wird darüber hinaus auch an den Lasttrennschalter 8 weitergegeben.The drawing shows a three-phase network 1, from which a current line 2 is branched off, via which a consumer (not shown) is supplied. In the current line 2, a load-break switch 8, a semiconductor switch 5» designed as a triac, and an ohmic current measuring section 4 are connected in series. Downstream of the current measuring section 4 is a comparator circuit 6, which contains a setpoint 7 and which is supplied from a voltage source 10 via an optical fiber section 11. The output signal of the comparator circuit is present at the semiconductor switch 5 and is also passed on to the load-break switch 8.
Die ohmsche Strommeßstrecke 4 besteht aus einem Leiter bekannten Widerstandes. Über die Messung des Spannungsfalls entlang der Meßstrecke läßt sich eine dem Strangstrom proportionale Spannung gewinnen, welche den Eingang der Vergleicherschaltung 6 bildet. Die Vergleicherschaltung 6 bildet kontinuierlich die Differenz aus ihrem von der Meßstrecke 4 gewonnenen Spannungswert dU/dt und dem Sollwert 7, welcher entweder fest innerhalb der Vergleicherschaltung 6 abgespeichert ist oder von außen veränderbar vorgegeben werden kann.The ohmic current measuring section 4 consists of a conductor of known resistance. By measuring the voltage drop along the measuring section, a voltage proportional to the phase current can be obtained, which forms the input of the comparator circuit 6. The comparator circuit 6 continuously forms the difference between the voltage value dU/dt obtained from the measuring section 4 and the target value 7, which is either permanently stored within the comparator circuit 6 or can be specified and changed from outside.
Sobald ein Überschreiten des Sollwertes festgestellt wird, steuert die Vergleicherschaltung 6 den als Unterbrechungselement dienenden Halbleiterschalter 5 an, so daß dessen Thyristoren nach Erreichen des folgenden Nulldurchganges des Stromes sperren. Hierdurch wird bereits unmittelbar nach Auftreten eines den Sollwert 7 übersteigenden Strangstromes eine Unterbrechung veranlaßt. Zusätzlich wird über den Lasttrennschalter 8, welcher ebenso von der Vergleicherschaltung 6 angesteuert wird, eine zusätzliche galvanische Trennnung des Stranges bewirkt.As soon as it is determined that the setpoint has been exceeded, the comparator circuit 6 controls the semiconductor switch 5, which serves as an interruption element, so that its thyristors block after the current has reached the next zero crossing. This causes an interruption immediately after a phase current exceeding the setpoint 7 occurs. In addition, an additional galvanic isolation of the phase is achieved via the load break switch 8, which is also controlled by the comparator circuit 6.
Die Elemente Meßstrecke 4, Vergleicherschaltung 6 und Halbleiterschalter 5 bilden eine bauliche Einheit für eine Überstrom-Schutzeinrichtung 3· Das Potential dieser Schutzeinrichtung entspricht dem Potential des Stromstranges.The elements measuring section 4, comparator circuit 6 and semiconductor switch 5 form a structural unit for an overcurrent protection device 3. The potential of this protection device corresponds to the potential of the current path.
Zum Zwecke einer sicheren Entkopplung zwischen der potentialbehafteten Vergleicherschaltung 6 und der Spannungsquelle 10 bzw. der außenliegenden Signalverarbeitungskomponenten 12 werden Lichtwellenleiter eingesetzt.For the purpose of a safe decoupling between the potential-affected comparator circuit 6 and the voltage source 10 or the external signal processing components 12, optical fibers are used.
Durch die dargestellte Lösung wird erreicht, daß Fehlerströme nach äußerst kurzen Fließzeiten erkannt und unterbrochen werden können. Hierdurch ist die Zerstörung der zu schützenden Komponenten erheblich geringer als bei der Verwendung herkömmlicher Schutztechniken.The solution presented ensures that fault currents can be detected and interrupted after extremely short flow times. This means that the damage to the components to be protected is considerably less than when using conventional protection techniques.
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