DE973720C

DE973720C - Protection circuit for electrical line systems

Info

Publication number: DE973720C
Application number: DEA12422D
Authority: DE
Inventors: Josef Gonsior
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1944-03-31
Filing date: 1944-03-31
Publication date: 1960-05-19

Description

In Beleuchtungsanlagen unter Tage wird meistens die bekannte Signal- oder Gegenschaltung angewandt, die das Geben von Lichtsignalen ermöglicht, indem die eine Phasenleitung in einer Schleife verlegt wird. Um das Auftreten von Berührungsspannungen zu verhindern, sind hierzu Schutzschaltungen entwickelt worden, die alle dahin zielen, ein Gerät zu schaffen, das bei Bruch des Erd- bzw. Schutzleiters oder bei Erdschluß einer Phase die Anlage abschaltet. Diese Geräte müssen mit sehr niedrigen Strömen arbeiten, da z. B. in Schlagwettergruben mit Rücksicht auf eine mögliche Funkenbildung dem Erd- bzw. Schutzleiter nur ein Schutzstrom überlagert werden kann, der Bruchteile eines Ampere beträgt.The well-known signal or counter circuit is usually used in underground lighting systems, which enables the emission of light signals by laying one phase line in a loop. To prevent contact voltages from occurring, protective circuits have been developed for this purpose which all aim to create a device that can break the ground or protective conductor or at Earth fault of a phase switches the system off. These devices have to work with very low currents, there z. B. in firedamp pits with consideration of possible spark formation the earth or protective conductor only a protective current can be superimposed which is a fraction of an ampere.

Bei den bisher entwickelten Schutzschaltungen ging man von der Voraussetzung aus, daß der Isolationswiderstand der Anlage praktisch unendlich groß ist und sich auch im Laufe der Zeit nicht ändert. Beides trifft jedoch keineswegs zu. Tatsächlich treten zwischen den Phasenleitungen und Erde Kriechströme auf, und die Isolationswiderstände besitzen demgemäß endliche Werte, die keineswegs einfach unberücksichtigt bleiben können. Für die Signal- oder Gegenschaltung liegen dabei die Verhältnisse z. B. so, daß die schleifenförmig verlegte Phasenleitung die doppelte Länge der anderen Phasenleitung hat. Die Isolationswiderstände gegen Erde werden infolgedessen für beide Phasen verschieden sein. Das bedingt dann aber, da die Kriechströme den gleichen Wert haben müssen, daß das Potential gegen Erde für beide Phasen verschieden ist. Wenn man den Isolationswiderstand der schleifenförmig verlegten Phase gleich dem halben Isolationswiderstand der anderen Phase annimmt, ergibt sich daraus eine Spannungsverteilung,The protective circuits developed so far were based on the assumption that the insulation resistance the system is practically infinite and does not change over time. Both however, is by no means true. Actually step between The phase lines and earth have leakage currents, and the insulation resistance accordingly finite values that can by no means simply be ignored. For signal or counter switching are the ratios z. B. so that the looped phase line doubled Length of the other phase line. As a result, the insulation resistances to earth are for both phases be different. However, this then means that the leakage currents have the same value must that the potential to earth is different for both phases. When you consider the insulation resistance of the phase laid in a loop is equal to half the insulation resistance of the other phase assumes, this results in a stress distribution,

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derart, daß für die erstere das Potential gegen den geerdeten Schutzleiter nur den halben Wert hat wie für die zweite.in such a way that for the former the potential to the earthed protective conductor is only half the value of for the second.

Soweit diese natürliche Spannungsverteilung von der durch die Anschlußwiderstände künstlich erzielten abweicht, wird der über ein Auslösegerät fließende Schutzstrom seinen vorgesehenen Wert mehr oder weniger ändern. Dadurch kann dann aber je nachdem die beabsichtigte Schutzwirkung nicht erreicht werden, ίο oder es können sich statt dessen Fehlabschaltungen ergeben. Um das zu vermeiden, soll daher erfindungsgemäß der Anschluß des Erd- bzw. Schutzleiters derart vorgenommen werden, daß die hierdurch gegebene Spannungsverteilung der natürlichen Spannungsverteüung, wie sie sich aus den Isolationswiderständen ergibt, entspricht. As far as this natural voltage distribution from that artificially achieved by the connection resistances deviates, the protective current flowing through a tripping device is more or more than its intended value change less. As a result, however, the intended protective effect may not be achieved, depending on the situation. ίο or incorrect shutdowns may occur instead. In order to avoid this, the invention should therefore the connection of the earth or protective conductor can be made in such a way that the The given stress distribution corresponds to the natural stress distribution as it results from the insulation resistance.

In der Fig. ι sind diese Verhältnisse an einem Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht. Der Schutzleiter α ist dort am Ende der zu überwachenden, in der Signal- oder Gegenschaltung ausgeführten Leitung über einen Widerstand b_x mit der Phase S, am Anfang über einen Widerstand &_a mit der Phase T verbunden und andererseits geerdet. Die Widerstände O₁, δ₂ süid als gleich groß angenommen. Weiterhin sollen jedoch Isolationswiderstände in Betracht kommen, die in der Abbildung durch die gestrichelt eingezeichneten Widerstände C₁, c₂ angedeutet sind. Der Schutzleiter α ist über ein Auslösegerät d geführt. Der dieses durchfließende Strom ist dann bei gegebener Netzspannung nicht mehr einfach von den Widerständen J₁, δ₂ abhängig, sondern die Stromverteilung wird durch die Isolationswiderstände C₁, c₂ beeinflußt. Bei ungleicher Größe dieser Widerstände ergibt sich damit eine Änderung des das Auslösegerät durchfließenden Stromes.In Fig. Ι these relationships are illustrated schematically in one embodiment. At the end of the line to be monitored, the protective conductor α is connected to phase S via a resistor b _x , at the beginning via a resistor & _a to phase T and, on the other hand, earthed. The resistances O ₁ , δ _{2 are} assumed to be equal. However, insulation resistances should also come into consideration, which are indicated _{in the figure by the resistors C 1} , c _{2 shown in dashed lines.} The protective conductor α is passed through a trigger device d . The current flowing through this is then no longer simply _{dependent on the resistors J 1} , δ ₂ at a given mains voltage, but the current distribution is influenced by the insulation _{resistors C 1} , c ₂ . If these resistances are unequal, there will be a change in the current flowing through the tripping device.

Eine derartige Änderung unterbleibt, wenn die dem Widerstandsverhältnis S₁: b₂ entsprechende Spannungsverteilung mit der natürlichen, dem Widerstandsverhältnis C₁: c₂ entsprechenden übereinstimmt. Bei der Signal- oder Gegenschaltung würde also, da hier der Widerstandswert c₂ doppelt so groß ist wie der Wert C₁, der Widerstand b₂ doppelt so groß zu bemessen sein wie der Widerstand b_v In diesem Fall ist der das Auslösegerät d durchfließende Schutzstrom eindeutig durch die Bemessung der Widerstände O₁, &₂ gegeben. Selbst wenn die Isolationswiderstände C₁, C₂ sich ändern, kann dies keinerlei Einfluß auf die Schutzwirkung des Auslösegerätes haben, soweit die Widerstandsänderung für die beiden Phasen gleichmäßig erfolgt, also keine Änderung des Widerstandsverhältnisses C₁: c₂ eintritt.Such a change does not occur if the _{voltage distribution corresponding to the resistance ratio S 1} : b ₂ corresponds to the natural voltage distribution corresponding to the resistance ratio C ₁ : c ₂ . With the signal or counter circuit, since the resistance value c _{2 is} twice as large as the value C ₁ , the resistance b _{2 would have} to be dimensioned twice as large as the resistance b _v. In this case, the protective current flowing through the tripping device d is clearly given by the dimensioning of the resistors O ₁ , & ₂ . Even if the insulation resistances C ₁ , C ₂ change, this cannot have any effect on the protective effect of the tripping device as long as the change in resistance for the two phases is uniform, i.e. no change in the resistance ratio C ₁ : c ₂ occurs.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist an die Stelle des Auslösegerätes d der Fig. 1 ein Transformator getreten, der mit einer Wicklung &_x an der Netzspannung, mit einer kleinen Wicklung e₂ dagegen zwischen der nicht schleifenförmig verlegten Phasenleitung und Erde hegt, während die dritte Wicklung e₃ den Auslösestromkreis für den Schalter f speist. Die Wicklung e₂ ersetzt dabei den Widerstand b₂ und weist demgemäß einen doppelt so großen Widerstandswert auf wie der Widerstand S₁. Im übrigen wirken die beiden Wicklungen e_v e₂ einander entgegen und sind so bemessen, daß im ungestörten Betrieb kein Auslösestrom auftritt. Beim Reißen des Schutzleiters a oder auch schon bei einer merklichen Widerstandserhöhung überwiegt jedoch die Wicklung e_x und bewirkt durch Transformation über die Wicklung e₃ die Auslösung des Schalters f. Die Auslösung tritt auch dann ein, wenn eine Phase mit dem Erdleiter Schluß bekommt, indem dann entweder, nämlich bei Phase T, die Wicklung e₂ stromlos oder, nämlich bei Phase S, an die volle Netzspannung gelegt und damit stärker erregt wird.In the embodiment according to FIG. 2, the tripping device d of FIG. 1 has been replaced by a transformer which, with a winding & _{x, is connected} to the mains voltage, with a small winding e _2, on the other hand, between the non-looped phase line and earth, while the third winding e ₃ feeds the tripping circuit for the switch f. The winding e ₂ replaces the resistor b ₂ and accordingly has a resistance value that is twice as high as the resistor S ₁ . In addition, the two windings e _v e ₂ counteract one another and are dimensioned so that no tripping current occurs in normal operation. If the protective conductor a breaks or if there is a noticeable increase in resistance, however, the winding e _x predominates and triggers the switch f through transformation via the winding e ₃ then either, namely in phase T, the winding e _{2 is} de-energized or, namely in phase S, is applied to the full mains voltage and thus more strongly excited.

Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 erfolgt die Auslösung des Schalters f durch Schließen des Auslösestromkreises mittels eines Relais g, das über eine Gleichrichteranordnung h mit gleichgerichtetem Wechselstrom gespeist wird. Die Gleichrichteranordnung h ist dabei zwischen eine Anzapfung des an der Netzspannung liegenden, vorzugsweise durch eine Drossel gebildeten Spannungsteilers i und den Schutzleiter α gelegt. Zwischen eine zweite Anzapfung des Spannungsteilers i und den Schutzleiter α ist ein Widerstand b₂ geschaltet. Dieser Widerstand muß dann entsprechend dem Verhältnis der Isolationswiderstände wieder so bemessen sein, daß er zusammen mit dem Widerstand des Teiles I₁ des Spannungsteilers dasDoppelte desWiderstandes O₁ ausmacht. Im gleichen Verhältnis ist die Spannungsteilerwicklung durch die Anzapfung für die Gleichrichteranordnung aufzuteilen, so daß also i — i₂ ebenfalls den doppelten Widerstandswert von i₂ aufweist.According to the embodiment of FIG. 3, the switch f is triggered by closing the trigger circuit by means of a relay g, which is fed with rectified alternating current via a rectifier arrangement h. The rectifier arrangement h is placed between a tap of the voltage divider i connected to the mains voltage, preferably formed by a choke, and the protective conductor α . A resistor b _{2 is} connected between a second tap of the voltage divider i and the protective conductor α. This resistance must then be dimensioned in accordance with the ratio of the insulation resistances so that, together with the resistance of part I _{1 of} the voltage divider, it makes up double the resistance O ₁ . The voltage divider winding is to be divided in the same ratio by the tap for the rectifier arrangement, so that i - i ₂ also has twice the resistance value of i ₂ .

Über das Relais g fließt dann im ungestörten Betrieb kein oder doch jedenfalls nur ein das Relais nicht zum Ansprechen bringender Strom. Beim Reißen des Schutzleiters α oder Anwachsen seines Widerstandes vergrößert sich der Relaisstrom jedoch, so daß die Auslösung erfolgt. Eine Vergrößerung des Relaisstromes, die eine Auslösung herbeiführen kann, ergibt sich bei geeigneter Wahl der Anzapfung für den Gleichrichter auch bei einem Schluß zwischen einem der Phasenleiter 5, T und dem Schutzleiter.In undisturbed operation, no current flows through the relay g , or at least only a current which does not cause the relay to respond. If the protective conductor α breaks or its resistance increases, however, the relay current increases, so that tripping occurs. An increase in the relay current, which can cause tripping, results with a suitable selection of the tap for the rectifier even with a short between one of the phase conductors 5, T and the protective conductor.

Der Widerstand I₁ ist bei der Ausführung nach Fig. 1 bis 3 zweckmäßig als Regelwiderstand ausgebildet, damit die gewünschte Spannungsverteilung leicht eingestellt und bei Änderungen der Isolationswiderstände diesen angepaßt werden kann. Um die gewünschte Spannungsverteilung zu erreichen, kann man bei der Ausführung nach Fig. 3 auch eine Mehrzahl von Anzapfungen derart vorsehen, daß der An-Schluß mittels eines Umschalters jeweils an einen von diesen gelegt werden kann. Gegebenenfalls läßt sich weiterhin der Spannungsteiler so ausführen, daß er es ermöglicht, die Spannungsverteilung stufenlos inzustellen. Die Anzapfung für den Widerstand b₂ kann im übrigen mit einem Ende des Spannungsteilers i zusammenfallen, so daß der Teil I₁ auf Null ;usammenschrumpft.In the embodiment according to FIGS. 1 to 3, the resistor I ₁ is expediently designed as a regulating resistor so that the desired voltage distribution can easily be set and adapted to changes in the insulation resistances. In order to achieve the desired voltage distribution, a plurality of taps can also be provided in the embodiment according to FIG. 3 in such a way that the connection can be connected to one of these by means of a switch. If necessary, the voltage divider can also be designed in such a way that it enables the voltage distribution to be set continuously. The tap for the resistor b ₂ can also coincide with one end of the voltage divider i , so that the part I ₁ shrinks to zero.

Im Falle der Fig. 4 ist der geerdete Schutzleiter a am Anfang und am Ende der zu schützenden Leitung über Gleichrichter k_x bis A₄ und Widerstände I₁ bis Z₄ an die Netzspannung angeschlossen, wobei der Schutzstrom am Anfang der Leitung über die Teilwicklung e₂ ines Transformators geführt ist, dessen Primärwicklung aus Teilwicklungen C₁, e_x" und e₂ besteht, während über die Sekundärwicklung e₃ der Auslöse-In the case of FIG. 4, the grounded protective conductor a is connected to the mains voltage at the beginning and at the end of the line to be protected via rectifiers k _x to A ₄ and resistors I ₁ to Z ₄ , the protective current at the beginning of the line via partial winding e ₂ ines transformer is performed, the primary winding of which consists of partial windings C ₁ , e _x " and e ₂ , while via the secondary winding e _{3 of} the tripping

Stromkreis für den Schalter f gespeist wird. Die Wicklung e_x' ist über den Gleichrichter Jt₅ und den Widerstand Z₅ an die Phasenleitung S, die Wicklung e_x" über den Gleichrichter A₆ und den Widerstand Z₆ an die Phasenleitung T angeschlossen, so daß die Wicklungen e/ — C₁" jeweils der Wicklung e₂ entgegenwirken. In Berücksichtigung der Verschiedenheit der Tsolationswiderstände sind dabei die Widerstände so bemessen, daß der Widerstand von U₁ + Z₁ gleich demCircuit for switch f is fed. The winding e _x ' is connected to the phase line S via the rectifier Jt ₅ and the resistor Z ₅ , the winding e _x "via the rectifier A ₆ and the resistor Z ₆ to the phase line T , so that the windings e / - C ₁ ″ each counteract the winding e _2. Taking into account the difference in isolation resistances, the resistances are dimensioned so that the resistance of U ₁ + Z _{1 is} equal to that

ίο halben Widerstand von k_s-{-1₃ + e₂ und entsprechend der Widerstand von A₄ + Z₄ gleich dem halben Widerstand von k₂ + Z₂ + e₂ ist. Dem ist, da die Gleichrichterwiderstände als praktisch übereinstimmend angenommen werden können, ungefähr genügt, wenn Z₁ den halben Wert von Z₃ und Z₄ den halben Wert von Z₂ hat, während einerseits Z₁ und Z₄, andererseits Z₂ und Z₃ gleiche Werte besitzen. Der über die Teilwicklung e₂ fließende Strom ist dann für beide Halbwellen der gleiche. Er wird im ungestörten Betrieb der Anlage für die eine Halbwelle durch den über den Widerstand Z₅, den Gleichrichter A₅, die Wicklungen e/, S₁", den Widerstand Z₃ und den Gleichrichter k₃, für die andere Halbwelle durch den über den Widerstand Z₆, den Gleichrichter k_e, die Wicklung C₁", den Widerstand Z₄ und den Gleichrichter A₄ fließenden Strom kompensiert. Daß die kompensierenden Halbwellenströme über verschiedene Teilwicklungen des Transformators verlaufen, ist in der Verschiedenheit der Widerstände Z₃ und Z₄ begründet und bezweckt, trotz der dadurch bedingten Ungleichheit der Halbwellenströme gleiche Amperewindungszahlen zu erhalten. Der hierdurch gegebene Ausgleich in dem Transformator wird gestört, und es ergibt sich infolgedessen über die Wicklung e_s ein Auslösestrom, sofern der Schutzleiter a unterbrochen oder einer der Phasenleiter S, T geerdet wird.ίο half the resistance of k _s - {- 1 ₃ + e ₂ and accordingly the resistance of A ₄ + Z _{4 is} equal to half the resistance of k ₂ + Z ₂ + e ₂ . Since the rectifier resistances can be assumed to be practically identical, it is approximately sufficient if Z _{1 has} half the value of Z ₃ and Z _{4 has} half the value of Z ₂ , while on the one hand Z ₁ and Z ₄ , on the other hand Z ₂ and Z ₃ have the same values. The current flowing through partial winding e ₂ is then the same for both half-waves. It is in the undisturbed operation of the system for one half-wave through the resistor Z ₅ , the rectifier A ₅ , the windings e /, S ₁ ", the resistor Z ₃ and the rectifier k ₃ , for the other half-wave through the the resistor Z ₆ , the rectifier k _e , the winding C ₁ ″, the resistor Z ₄ and the rectifier A ₄ compensates for the current flowing. The fact that the compensating half-wave currents run over different partial windings of the transformer is due to the difference in resistors Z ₃ and Z ₄ and the aim is to obtain the same number of ampere-turns despite the resulting inequality of the half-wave currents. The resulting equalization in the transformer is disturbed, and as a result, a tripping current results through the winding e _s if the protective conductor a is interrupted or one of the phase conductors S, T is grounded.

Natürlich ist die Erfindung keineswegs auf den Fall der bei den Ausführungsbeispielen angenommenen Signal- oder Gegenschaltungen beschränkt. Sie kann vielmehr auch in anderen Fällen für den Anschluß eines Schutz- bzw. Erdleiters zweckmäßig Verwendung finden, wenn ungleiche Isolationswiderstände in Betracht kommen. Die zwischen Schutzleiter und Phasenleitern einzuschaltenden Widerstände brauchen dabei natürlich, soweit der Schutzstrom ein Wechselstrom ist, keine ohmschen Widerstände, sondern können irgendwelche Impedanzen sein.Of course, the invention is by no means in the case of that assumed in the exemplary embodiments Signal or counter circuits limited. Rather, it can also be used in other cases for the connection of a protective or earth conductor are expediently used if unequal insulation resistances in Come into consideration. The resistors to be connected between the protective conductor and phase conductors are required Of course, as long as the protective current is an alternating current, no ohmic resistors, but can be any impedance.

Wenn verlangt wird, daß bei Berühren der Phase S oder T bereits eine Auslösung erfolgt, ist im Falle der Fig. 3 der Widerstand b₂ durch ein Relais zu ersetzen, oder es ist ihm unter entsprechender Änderung seines Widerstandswertes ein solches Relais parallel zu schalten.If it is required that a trip already takes place when phase S or T is touched, in the case of FIG. 3 the resistor b _{2 is to be} replaced by a relay, or such a relay is to be connected in parallel to it with a corresponding change in its resistance value.

Claims

Patent claims:

i. Protective circuit for electrical line systems, in particular lighting systems in signal or counter-circuit, for monitoring for breakage of the protective conductor and the termination of the latter with a phase in which a protective circuit runs from phase to phase over the earthed protective conductor and resistors connecting it to the phase conductors, characterized by an unequal dimensioning of the resistors used to connect the protective conductor to the phase conductors, such that the voltage distribution to be achieved with these resistors between the protective conductor and the phase conductors corresponds to the natural voltage distribution given by the insulation resistances.

2. Protection circuit according to claim 1, characterized in that at least one of the between the protective conductor and the phase conductors arranged resistors is adjustable.

3. Protection circuit according to claim 1, characterized in that the one resistor by the Monitoring device, for example a partial winding of a differential transformer, is given (Fig. 2).

4. Protection circuit according to claim 1, characterized in that one connected to the mains voltage Horizontal voltage divider with one tap across a resistor, with a second tap is connected to the protective conductor via the monitoring device (Fig. 3).

5. Protection circuit according to claim 4, characterized by such a design of the preferably voltage divider designed as a choke, e.g. B. with switchable taps that this allows adjustment of the voltage distribution.

6. Protection circuit according to claim 4 or 5, characterized in that the monitoring device a rectifier arrangement is connected upstream.

7. Protection circuit according to claim 1 with rectified Protective current, characterized in that the protective conductor on both sides via a rectifier and unequal resistances in relation to the insulation resistances are connected to the phase conductors is (Fig. 4).

8. Protection circuit according to claim 7 with a differential device, preferably a differential transformer, in which the protective current is compensated by a rectified comparison current during undisturbed operation, characterized in that, that the comparison circuit runs over the unequal resistors and the comparison winding is designed for both half-waves with different numbers of turns.

Considered publications:
"Glückauf" magazine, 1939, pp. 149 to 153;
French patent specification No. 846 219.

1 sheet of drawings