EP1053555A1 - Verfahren und vorrichtung zum betrieb eines leistungsschalters - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum betrieb eines leistungsschalters

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EP1053555A1
EP1053555A1 EP99907324A EP99907324A EP1053555A1 EP 1053555 A1 EP1053555 A1 EP 1053555A1 EP 99907324 A EP99907324 A EP 99907324A EP 99907324 A EP99907324 A EP 99907324A EP 1053555 A1 EP1053555 A1 EP 1053555A1
Authority
EP
European Patent Office
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circuit
circuit breaker
magnet
electromagnet
voltage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99907324A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Ette
Peter Schust
Andreas Pancke
Hans Rehaag
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/1081—Modifications for selective or back-up protection; Correlation between feeder and branch circuit breaker
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating a circuit breaker having an Uberstro release and at least one electromagnet depending on its operating state when a short circuit occurs and can be used to protect electrical engineering systems.
  • circuit breakers have tripping magnets which are integrated in the tripping circuit. Such a low-voltage circuit breaker is described in US 4,377,837 A. The tripping magnet is built into the circuit breaker and interacts with a latching device.
  • circuit breakers can contain further electromagnets, which can be used, for example, as a solenoid for releasing a
  • a short circuit occurs in a switchgear, it can be important to protect a system, a consumer and, in particular, a circuit breaker, whether the short circuit occurs during operation, i.e. when the switch contacts are closed, or only when the switch contacts close. 2 While in the event of a short-circuit during operation, i.e. with the switch contacts closed, the circuit breaker may only trip after a specified, set delay for reasons of selectivity, in the event of a short circuit when the switch contacts close, it is sensible to open the circuit breaker immediately. This effectively protects the circuit breaker and the entire system from the effects of the short-circuit current.
  • the electronic overcurrent release is self-supplied, that is, the release is only activated after the switch contacts are closed.
  • the overcurrent release cannot detect whether the switch contacts were already closed before they were activated. There is therefore no possibility of carrying out the sensible measure described.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method and a device with which reliable detection is made possible using simple means and using already existing components as to whether the circuit breaker is switched on to an existing short circuit.
  • a particular advantage of the invention consists in the fact that in the circuit breakers there are already electrical magnets for detecting a coincidence of the switching on and the occurrence or presence of a short-circuit current 3 are used by generating a control command for the instantaneous tripping of the circuit breaker when an output variable signaling a switch-on operation is generated on an evaluation circuit connected to a winding of the electromagnet and simultaneous detection of a short-circuit current by the overcurrent release.
  • Another advantage of the invention is that the acquisition of a signal related to the switching process is not limited to the tripping magnet, but this signal also from other electromagnets arranged in the circuit breaker, for example from work or. Auxiliary magnets that can be derived. It is also possible to use several electromagnets. What is decisive for the selection here is which magnets in addition to the
  • Tripping magnet are arranged in the circuit breaker and which magnet or which magnets are or are best suited after the assembly in the switch for the purposes of generating an induced voltage from the switch vibration. Further technical criteria for the selection of the electromagnets to be used are the number of turns and the structure of the magnetic circuit.
  • Figure 1 is a schematic representation of a circuit breaker
  • FIG. 3 shows a stylized oscillogram of the decaying pulsed alternating voltage generated by the vibration when the switch contacts close in the release magnet.
  • FIG. 4 shows a stylized oscillogram of the decaying DC voltage generated by integration from the AC voltage.
  • a circuit breaker 1 has the following essential components or assemblies:
  • Overcurrent release 2 current transformer 3, first and second evaluation circuits 4 and 5, release magnet 6 for switching on with latching 7, spring accumulator 8, cam 9, manual transmission 10, switching linkage 11, switching shaft 12, switching mechanism 13 with trigger magnet 14, contact force spring 15 with carrier 16 of the movable one Switching contact 17, fixed switching contact 18 and main current path 19.
  • a further trigger magnet 20 with associated evaluation circuit 21 is also provided as an accessory if required.
  • the signals on the tripping magnet 14 present in each circuit breaker 1 are evaluated in order to detect the coincidence of just switching on and the occurrence of a short-circuit current and the resulting instantaneous tripping of a circuit breaker 1.
  • further electromagnets 6, 20 in the recognition process instead of the trigger magnet 14 or in addition to the trigger magnet 14.
  • Such further work or Auxiliary magnets can be solenoids for releasing a spring-loaded device for remote activation, electromagnets in undervoltage releases or electromagnets in additional shunt releases.
  • the trigger magnet 14 with its components coil, coil body, permanent magnet and plunger forms a sensor in the present exemplary embodiment, in which slight movements of the plunger in the coil body occur due to vibrations. These vibrations, caused by the switching process, induce an alternating voltage in the coil. Due to the mechanical energy released when the switch contacts 17, 18 are closed, the trigger magnet 14 is shaken so that the decaying pulsed AC voltage induced in its coil reaches a sufficient size for detection and evaluation. In the present exemplary embodiment, these pulses have subsided after approximately 30 milliseconds.
  • the induced decaying pulsed AC voltage shown in FIG. 3 can be used for effective evaluation
  • the DC voltage generated via the integrator circuit is now evaluated by a microcontroller on an analog / digital converter channel. This evaluation is carried out in such a way that, in the event of an overcurrent trip of the circuit breaker 1 and the presence of an induced voltage or of the decaying DC voltage signal derived therefrom, the circuit breaker 1 trips again, whereas, in the event of an overcurrent trip of the circuit breaker 1 without the presence of an induced voltage or one of them 6 derived DC signals of the circuit breaker 1 with a predetermined delay realizes the trip.
  • the mode of operation of the circuit breaker 1 with instantaneous tripping in the event of a short circuit is therefore based on the fact that the trigger is activated by the current flow in the circuit breaker and immediately detects a short circuit current and can also recognize whether or not on the basis of the level or the presence of the direct current signal the switch contacts 17, 18 have just been closed. Depending on this information, you can now react appropriately, i.e. switch off either immediately or after a delay.

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Leistungsschalters (1) mit unverzögerter Auslösung bei Kurzschluss und ist anwendbar zum Schutz elektrischer Anlagen. Das Grundprinzip der Erfindung beruht darauf, dass die durch mechanische Erschütterungen beim Schliessen der Schalterkontakte (17, 18) in der Spule von in dem Leistungsschalter (1) ohnehin vorhandenen Elektromagneten (6, 14, 20) induzierte Spannung erfasst und ausgewertet wird. Die erfasste abklingende impulsförmige Wechselspannung wird mit einer Integratorschaltung in eine abklingende Gleichspannung umgewandelt und durch einen Mikrokontoller an einem Analog/Digital-Wandlerkanal ausgewertet. Wird der Auslöser durch den einsetzenden Stromfluss im Schalter (1) aktiviert und erkennt gleich darauf einen Kurzschlussstrom, so kann er bei Vorhandensein einer induzierten Spannung oder eines von ihr abgeleiteten Gleichstromsignales sofort wieder auslösen bzw. ohne das Vorhandensein der induzierten Spannung bzw. des Gleichspannungssignales mit einer vorgegebenen Verzögerung auslösen.

Description

1 Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines LeistungsSchalters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines einen Uberstro auslöser und mindestens einen Elektromagneten aufweisenden Leistungsschalters in Abhängigkeit von seinem Betriebszustand beim Auftreten eines Kurzschlusses und ist anwendbar zum Schutz elektrotechnischer Anlagen.
Herkömmliche Leistungsschalter weisen Auslösemagneten auf, welche in die Auslöseschaltung eingebunden sind. Ein derartiger Niederspannungs-Leistungsschalter ist in der US 4 377 837 A beschrieben. Der Auslösemagnet ist im Leistungsschalter eingebaut und wirkt mit einer Verklinkungseinrichtung zusammen. Darüber hinaus können Leistungsschalter weitere Elektromagnete enthalten, welche beispielsweise als Abrufmagnet zur Freigabe eines
Federspeichers, um den Leistungsschalter ferngesteuert einzuschalten, ausgebildet sind oder Unterspannungsauslöser bzw. zusätzliche Arbeitsstromauslöser realisieren. Beispiele für den Einbau derartiger Hilfsauslöser sind in der US 4 166 260 A für Kompakt-Leistungsschalter und in der DE 36 12 119 AI sowie der US 3 916 674 A für große Leistungsschalter beschrieben.
Tritt in einer Schaltanlage ein Kurzschluß auf, so kann für den Schutz einer Anlage, eines Verbrauchers und insbesondere eines Leistungsschalters die Unterscheidung wichtig sein, ob der Kurzschluß im laufendem Betrieb, daß heißt bei geschlossenen Schaltkontakten, oder erst durch das Schließen der Schaltkontakte auftritt. 2 Während bei einem Kurzschluß im laufenden Betrieb, also bei geschlossenen Schalterkontakten, die Auslösung des Leistungsschalters aus Gründen der Selektivität erst nach einer vorgegebenen, eingestellten Verzögerung erfolgen darf, ist es im Fall eines Kurzschlusses beim Schließen der Schaltkontakte sinnvoll, den Leistungsschalter sofort wieder auszulösen. Hierdurch werden der Leistungsschalter und die gesamte Anlage vor den Auswirkungen des Kurzschlußstromes wirksam geschützt.
Der elektronische Uberstromauslöser ist bei herkömmlichen Leistungsschaltern gemäß dem Stand der Technik eigenversorgt, daß heißt, erst nachdem die Schalterkontakte geschlossen sind wird der Auslöser aktiviert. Hierdurch kann der Überstrom- auslöser nicht erkennen, ob die Schalterkontakte vor seiner Aktivierung bereits geschlossen waren. Somit besteht keine Möglichkeit, die geschilderte sinnvolle Maßnahme durchzuführen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen mit einfachen Mitteln und unter Verwendung bereits vorhandener Bauelemente eine zuverlässige Erkennung ermöglicht wird, ob der Leistungsschalter auf einen bestehenden Kurzschluß eingeschaltet wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 5. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß in den Leistungsschaltern ohnehin vorhandene Elektro agnete zur Erfassung einer Koinzidenz von gerade erfolgtem Einschalten und Auftreten bzw. Vorhandensein eines Kurzschlußstromes 3 genutzt werden, indem beim Auftreten einer einen Einschaltvorgang signalisierenden Ausgangsgröße an einer mit einer Wicklung des Elektromagneten verbundenen Auswerteschaltung und gleichzeitiger Erfassung eines Kurzschlußstromes durch den Überstromauslöser ein Steuerbefehl zur unverzögerten Auslösung des Leistungsschalters erzeugt wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Gewinnung eines mit dem Schaltvorgang zusammenhängenden Signals nicht auf den Auslösemagneten beschränkt ist, sondern dieses Signal auch von anderen in dem Leistungsschalter angeordneten Elektromagneten, beispielsweise von Arbeitsbzw. Hilfsmagneten, abgeleitet werden kann. Auch die Nutzung mehrerer Elektromagnete ist möglich. Entscheidend für die Auswahl ist hierbei, welche Magnete zusätzlich zu dem
Auslösemagnet in dem Leistungsschalter angeordnet sind und welcher Magnet bzw. welche Magnete sich nach der Montage im Schalter für die Zwecke der Erzeugung einer induzierten Spannung aus der Schaltererschütterung am besten eignet bzw. eignen. Weitere technische Kriterien für die Auswahl der zu nutzenden Elektromagnete sind Windungszahl und Aufbau des magnetischen Kreises.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters
Figur 2 eine passive Integrationsschaltung 4 Figur 3 ein stilisiertes Oszillogramm der durch die Erschütterung beim Schließen der Schalterkontakte im Auslösemagneten erzeugten abklingenden impulsförmigen Wechselspannung .
Figur 4 ein stilisiertes Oszillogramm der durch Integration aus der Wechselspannung erzeugten abklingenden Gleichspannung.
Wie aus Figur 1 zu ersehen ist, weist ein Leistungsschalter 1 folgende wesentliche Bestandteile bzw. Baugruppen/Bauelemente auf:
Überstromauslöser 2, Stromwandler 3, erste und zweite Auswerteschaltung 4 und 5, Freigabemagnet 6 zum Einschalten mit Verklinkung 7, Federspeicher 8, Kurvenscheibe 9, Schaltgetriebe 10, Schaltgestänge 11, Schaltwelle 12, Schaltschloß 13 mit Auslösemagnet 14, Kontaktkraftfeder 15 mit Träger 16 des beweglichen Schaltkontaktes 17, feststehender Schaltkontakt 18 und Hauptstrombahn 19. Als Zubehör ist ferner bei Bedarf ein weiterer Auslösemagnet 20 mit zugehöriger Auswertungsschaltung 21 vorgesehen.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zur Erfassung der Koinzidenz von gerade erfolgtem Einschalten und Auftreten eines Kurzschlußstromes und daraus resultierender unverzögerter Auslösung eines Leistungsschalters 1 die Signale an dem in jedem Leistungsschalter 1 vorhandenen Auslösemagneten 14 ausgewertet. Darüber hinaus ist es möglich, anstelle des Auslösemagneten 14 oder zusätzlich zu dem Auslösemagneten 14 weitere Elektromagnete 6, 20 in den Erkennungsprozeß einzubeziehen. Derartige weitere Arbeitsbzw. Hilfsmagnete können Abrufmagnete zur Freigabe eines Federspeichers für die ferngesteuerte Einschaltung, Elektromagnete in Unterspannungsauslösern oder Elektromagnete in zusätzlichen Arbeitsstromauslösern sein. Durch den Einbau 5 derartiger zusätzlicher Elektromagnete 20, falls erwünscht mit eigener Auswertungsschaltung 21, ist eine mechanische Kopplung, das heißt eine Übertragung der Erschütterung beim Schaltvorgang, stets gegeben.
Der Auslösemagnet 14 mit seinen Bestandteilen Spule, Spulenkörper, Permanentmagnet und Stößel bildet im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Sensor, bei dem es durch Erschütterungen zu leichten Bewegungen des Stößels im Spulenkörper kommt. Durch diese Erschütterungen, bedingt durch den Schaltvorgang, wird in der Spule eine Wechselspannung induziert. Durch die beim Schließen der Schalterkontakte 17, 18 frei werdende mechanische Energie wird der Auslösemagnet 14 dabei so erschüttert, daß die in seiner Spule induzierte abklingende impulsformige Wechselspannung eine ausreichende Größe zur Erfassung und Auswertung erreicht. Diese Impulse sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach ca. 30 Millisekunden abgeklungen. Zur effektiven Auswertung kann die in Figur 3 dargestellte induzierte abklingende impulsformige Wechselspannung dem
Eingang E einer in Figur 2 dargestellten Integratorschaltung, bestehend aus einer Diode, einem Widerstand und einem Kondensator, zugeführt werden, so daß nunmehr am Ausgang A der Integratorschaltung eine abklingende Gleichspannung, wie in Figur 4 gezeigt, vorliegt.
Die über die Integratorschaltung erzeugte Gleichspannung wird nun durch einen Mikrokontroller an einem Analog/Digital- Wandlerkanal ausgewertet. Diese Auswertung erfolgt derart, daß bei Überstromauslösung des Leistungsschalters 1 und Vorhandensein einer induzierten Spannung oder des von ihr abgeleiteten abklingenden Gleichspannungssignals der Leistungsschalter 1 sofort wieder auslöst, wobei hingegen bei Überstromauslösung des Leistungsschalters 1 ohne Vorhandensein einer induzierten Spannung oder eines von ihr 6 abgeleiteten Gleichstromsignales der Leistungsschalter 1 mit einer vorgegebenen Verzögerung die Auslösung realisiert.
Die Wirkungsweise des Leistungsschalter 1 mit unverzögerter Auslösung bei Kurzschluß gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beruht also darauf, daß der Auslöser durch den einsetzenden Stromfluß im Leistungsschalter aktiviert wird und gleich darauf einen Kurzschlußstrom erkennt und zusätzlich anhand der Höhe bzw. dem Vorhandensein des Gleichstromsignals erkennen kann, ob die Schaltkontakte 17, 18 gerade geschlossen wurden. In Abhängigkeit dieser Information kann nun entsprechend sinnvoll reagiert, also entweder sofort oder verzögert abgeschaltet werden.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der Ausführungsvarianten _zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

7 Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines einen Überstromauslöser (2) und wenigstens einen Elektromagneten aufweisenden Leistungsschalters (1) in Abhängigkeit von seinem Betriebszustand beim Auftreten eines Kurzschlusses, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beim Auftreten einer einen Einschaltvorgang signalisierenden Ausgangsgröße an einer mit einer Wicklung des Elektromagneten verbundenen Auswerteschaltung und gleichzeitiger Erfassung eines Kurzschlußstromes durch den Überstromauslöser (2) ein Steuerbefehl zur unverzögerten Auslösung des Leistungsschalters (1) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die den Einschaltvorgang signalisierende Ausgangsgröße eine durch mechanische Erschütterung beim Schließen der Schalterkontakte in der Wicklung des Elektromagneten induzierte Spannung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die induzierte abklingende Spannung vor der Auswertung integriert und damit in eine abklingende Gleichspannung umgewandelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Überstromauslösung des Leistungsschalters (1) ohne
Vorhandensein einer induzierten Spannung oder eines von ihr abgeleiteten Signales der Leistungsschalter (1) mit einer vorgegebenen Verzögerung zur Auslösung gebracht wird. 8
5. Vorrichtung zur Realisierung eines Leistungsschalters mit unverzögerter Auslösung bei Kurzschluß mit einem
Überstromauslöser (2) und mindestens einem Elektromagneten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Auslösemagnet (14) und/oder der Freigabemagnet (6) und/oder weitere im Leistungsschalter (1) angeordnete
Elektromagnete (20) mit einer ersten Auswerteschaltung (4) und/oder einer zweiten Auswerteschaltung (5) und/oder einer weiteren Auswerteschaltung (21) verbunden ist/sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Auswerteschaltungen (4, 5, 21) zur Bildung einer abklingenden Gleichspannung eine Integratorschaltung zur Integration einer durch mechanische Erschütterungen des
Leistungsschalters (1) beim Schließen der Schalterkontakte (17, 18) in der Wicklung des Elektromagneten (14, 6, 20) induzierten Spannung aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Integratorschaltung eine Diode, einen Widerstand und einen Kondensator aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Auswerteschaltungen (4, 5, 21 einen Mikrokontroller, welcher mit einem* Analog/Digitalwandlerkanal verbunden ist, aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Auslösemagnet (14) aus Spule, Spulenkörper, Permanentmagnet und Stößel besteht. 9
10. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Elektromagnet (20) ein Hilf sauslösemagnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hilfsauslösemagnet ein Abrufmagnet und/oder ein Unterspannungsauslösemagnet und/oder ein Arbeits- stromauslösemagnet ist.
EP99907324A 1998-02-12 1999-02-05 Verfahren und vorrichtung zum betrieb eines leistungsschalters Withdrawn EP1053555A1 (de)

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