EP1295375A1 - Elektronischer überstromauslöser für einen niederspannungs-leistungsschalter - Google Patents

Elektronischer überstromauslöser für einen niederspannungs-leistungsschalter

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EP1295375A1
EP1295375A1 EP01956268A EP01956268A EP1295375A1 EP 1295375 A1 EP1295375 A1 EP 1295375A1 EP 01956268 A EP01956268 A EP 01956268A EP 01956268 A EP01956268 A EP 01956268A EP 1295375 A1 EP1295375 A1 EP 1295375A1
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EP
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short
current
delay time
overload
circuit
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EP01956268A
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Douglas Edwards
Holger Hochgraef
Jeffery-C. Mizener
Andreas Pancke
Hans Rehaag
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/30—Staggered disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/093—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current with timing means
    • H02H3/0935—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current with timing means the timing being determined by numerical means

Definitions

  • the invention relates to an electronic Uberstrotnausloser for a bodice-voltage power switch with a setting by the operating current I R, degree of inertia t R, briefly sustained short-circuit current I S d, Kurzverzog mecanicszeit t S (j and undelayed short-circuit current Ii in an overload region, a short-delayed short-circuit region and a unverz ⁇ - the short-circuit range divided characteristic.
  • circuit breakers serve to protect the downstream consumers as well as the system and finally the circuit breaker itself against overload and short circuit.
  • the wiring of the load feeders with its own circuit breaker, the wiring of several feeders with a higher-level circuit breaker etc. creates a locked system of switches that is the prerequisite for the selective switching off of a faulty feeder.
  • the condition here is that not several switches switch at the same time, but only the switch immediately upstream of the fault location. Only if an error cannot be controlled by this switch should the switch in the next higher tier be switched off.
  • this selectivity can be achieved by staggering the current and / or staggering the time, i.e. the overcurrent releases are set to different response currents and / or the delay times of the releases are staggered. Consumers who form the bottom tier of the season don't get any delay, any higher- orderly scale level receives an increased delay.
  • a tripping characteristic is set in the overcurrent release, which is in the overload, short-delayed range
  • the overload characteristic is limited by the short-delayed short-circuit characteristic, with which a guaranteed value for the current for a set value I sd
  • Delay time t sd is set.
  • a monotonically falling overall characteristic curve is always guaranteed if the set characteristic values I R , t R , I sd and t sd result in a perpendicular during the transition from the area of the overload characteristic to the area of the short-delayed short-circuit release along which the time value from the overload area to the area the short-delayed short-circuit release is falling.
  • the response current I R is selected to be very small compared to the current I S d for the short-delay tripping, which corresponds to a high dynamic range, it can happen that the time values in the area of the overload characteristic curve before it jumps to the value for the short-delay tripping , become smaller than the short-delayed release. This means that it results in the transition from the overload range to the area of the short-delayed release increases
  • the invention has for its object to provide an electronic overcurrent release for a low-voltage circuit breaker, for which it is ensured that it has a monotonically falling overall characteristic in the entire current range.
  • the characteristic of the Uberstromauslosers in overload is area for a lying before reaching the short-delayed short-circuit region characteristic portion on a current-independent, from Kurzverzog mecanicszeit t sd-dependent delay time t sd i, which is at least as large as the Kurzverzog proceedingsszeit t sd, adjustable.
  • the current-independent delay time t s ai can be a value of the short-term delay t Sd increased by a predetermined percentage value or by a constant value.
  • FIG. 1 shows the characteristic curve of an overcurrent release according to the invention and FIG. 2 shows the rough structure of such an overcurrent release.
  • the tripping time t a is plotted against the current I related to the response current I R.
  • the characteristic is in addition to the operating current I R determined by the degree of inertia t R, referred to herein by the trigger time t a when ⁇ fachen of the operating current I R is fixed, as well as the set value for the short-delayed short-circuit current I ⁇ d and the associated Kurzverzogtechnischszeit t sd.
  • the start of the undelayed range is also determined by the setting value for the undelayed short-circuit current Ii sets.
  • the initial vertical characteristic part lies according to
  • IEC 60 947-2 between 1.05 and 1.2 times the response current I R.
  • the shape of the characteristic curve shown results when the values are entered in a double logarithmic coordinate system.
  • the setting value for the short-delayed short-circuit current I sd is set correspondingly high compared to the response current I R , which is possible when using Rogowski coils for the current measurement, the characteristic curve still falls in the overload range I below the setting value for the short-delayed short-circuit current I sd .
  • the characteristic would therefore no longer be unambiguous and could intersect a characteristic of a circuit breaker of the next lower selectivity level in the selectivity grading below the characteristic shown. The selectivity would no longer exist.
  • a current-independent overload range IV is set as an additional characteristic curve section, which connects the monotonically falling part of the overload range I with the region of the short-delayed short-circuit release II.
  • the vertical positioning of the current-independent overload range IV is carried out by adding a constant time value, e.g. B. of 0.2 s for short delay time t Sd at a current-independent delay time t s a_ ,.
  • a simple IF query can be used to ensure that the overload protection does not trip with a shorter time than the short delay time t Sd plus a set time value.
  • the current-time value pair for the transition from the monotonically falling overload range I to the current-independent overload range IV can in any case be determined by the release itself in the case of electronic overcurrent releases, so that no further setting is necessary.

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Abstract

Der Verlauf der Gesamtkennlinie eines Überstromauslösers soll momoton fallen sein, was bei bestimmter Wahl der Einstellwerte nicht immer gegeben ist. Vorgeschlagen wird, dass die Kennlinie das Überstromauslösers im Überlastbereich für einen vor Erreichen des kurzverzögerten Kurzschlussbereiches liegenenden Kennlinienabschnitt auf eine stromunabhängige, von der Kurzverzögerungszeit abhängige Verzögerungszeit einstellbar ist, die mindestens genauso groß ist wie die Kurzverzögerungszeit. Die Lösung ist insbesondere bei der Strommessung mittels Rogowskispulen vorteilhaft.

Description

Beschreibung
Elektronischer Uberstrotnausloser für einen Niederspannungs- Leistungsschalter
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Uberstrotnausloser für einen Miederspannungs-Leistungsschalter mit einer durch die Einstellwerte Ansprechstrom IR, Trägheitsgrad tR, kurzverzögerter Kurzschlussstrom ISd, Kurzverzogerungszeit tS(j und unverzögerter Kurzschlussstrom Ii in einen Überlastbereich, einen kurzverzögerten Kurzschlussbereich und einen unverzδ- gerten Kurzschlussbereich unterteilten Kennlinie.
In elektrischen Anlagen dienen Leistungsschalter dazu, die nachgeordne en Verbraucher sowie die Anlage und schließlich die Leistungsschalter selbst vor Überlast und Kurzschluss zu schützen. Durch die Beschaltung der Verbraucherabzweige mit einem eigenen Leistungsschalter, die Beschaltung mehrerer Abzweige mit einem übergeordneten Leistungsschalter usw. ent- steht ein verasteltes System von Schaltern, das die Voraussetzung für ein selektives Abschalten eines fehlerbehafteten Abzweiges ist. Bedingung ist hierbei, dass nicht mehrere Schalter gleichzeitig, sondern nur der dem Fehlerort unmittelbar vorgeordnete Schalter schaltet . Erst wenn durch diesen Schalter ein Fehler nicht beherrscht werden kann, soll der Schalter in der nächsthöheren Staffelebene ausschalten.
Das Erreichen dieser Selektivität ist grundsätzlich durch eine Stromstaffelung und/oder eine Zeitstaffelung möglich, das heißt die Überstro auslöser werden auf unterschiedliche Ansprechströme eingestellt und/oder die Verzögerungszeiten der Auslöser werden gestaffelt. Die Verbraucher, die die unterste Staffelebene bilden, erhalten keine Verzögerung, jede höher- geordnete Staffelebene erhält eine jeweils erhöhte Verzögerung.
Üblicherweise wird im Überstromauslöser eine Auslösekennlinie eingestellt, die in die Bereiche Überlast, kurzverzögerter
Kurzschluss und unverzögerter Kurzschluss eingeteilt ist. Dabei hat es sich allgemein bewährt, dass die Überlastkennlinie der Beziehung I2t = const . gehorcht. Mit der Festlegung eines Ansprechstromes IR für den Auslöser und des Trägheitsgrades der Überlastkennlinie tR, der die obere Grenze der Auslösezeit ta für den δfachen Bemessungsstrom IR festlegt, definiert sich damit auch die Konstante. Den Vorschriften entsprechend soll der Auslöser beim l,2fachen Ansprechstrom nach spätestens 7200 Sekunden auslösen, woraus sich die untere Be- grenzung der Überlastkennlinie, das heißt ein senkrechter Kennlinienteil ergibt.
Zu den höheren Stromwerten hin ist die Überlastkennlinie durch die kurzverzögerte Kurzschlusskennlinie begrenzt, mit der für einen Einstellwert Isd für den Strom eine garantierte
Verzögerungszeit tsd festgelegt wird. Der Verlauf der kurzverzögerten Kurzschlusskennlinie kann selber wieder der Beziehung I2t = const. folgen, wird in der Regel jedoch als stromunabhängig festgelegt, so dass sich in der Gesamtkennli- nie ein horizontaler Kennlinienteil ergibt.
Dieser wird wiederum durch den Bereich der unverzögerten Auslösung begrenzt, der durch einen Stromwert I± festgelegt ist. Da in diesem Bereich keine Verzögerung beabsichtigt ist, wird dieser Zeitwert allein durch die Summe aus Auslösezeit, Stro- merfassungszeit und Schaltereigenzeit bestimmt. Der Verlauf der Gesamtkennlinie soll monoton fallend sein, damit jedem Stromwert eine bestimmte Auslösezeit zugeordnet ist und damit eine eindeutige Selektivitätsstaffelung möglich ist. Selektivität wird erreicht, wenn die Leistungsschalter der verschiedenen Staffelungsebenen Auslösekennlinien aufweisen, die von Staffelungsebene zu Staffelungsebene in Richtung auf einen höheren. Strom und/oder eine höhere Auslösezeit verschoben sind und sich in einem gemeinsamen Diagramm nicht berühren oder kreuzen. Praktisch ist ein gewisser Mindestab- stand notwendig, damit bei ungünstiger Toleranzlage kein Selektivitätsverlust eintritt.
Eine monoton fallende Gesamtkennlinie ist immer dann gewährleistet, wenn sich mit den eingestellten Kennwerten IR, tR, Isd und tsd beim Übergang vom Bereich der Überlastkennlinie in den Bereich der kurzverzögerten Kurzschlussauslösung eine Senkrechte ergibt, entlang der der Zeitwert vom Überlastbereich zum Bereich der kurzverzögerten Kurzschlussauslösung fallend ist.
Für die Strommessung, wie sie mit üblichen eisenbehafteten Stromwandlern möglich ist, ergibt sich aufgrund der Eisensättigung ein begrenzter Messbereich, bei dem sich mit den üblichen Einstellwerten automatisch eine monoton fallende Kennli- nie ergibt.
Wird der Ansprechstrom IR aber sehr klein gewählt gegenüber dem Strom ISd für die kurzverzögerte Kurzschlussauslösung, was einem hohen Dynamikbereich entspricht, so kann es dazu kommen, dass die Zeitwerte im Bereich der Überlastkennlinie, bevor dieser auf den Wert für die kurzverzögerte Auslösung springt, kleiner werden als die kurzverzögerte Auslösung. Das heißt, es ergibt sich beim Übergang vom Überlastbereich in den Bereich der kurzverzögerten Auslösung ein steigender
Zeitwert. Die Ausnutzung eines solchen Dynamikbereiches ist z. B. möglich, wenn statt eisenbehafteter Stromwandler Rogowskispulen verwendet werden, deren Messbereich theoretisch unbegrenzt ist. Die Stromerfassung mit Rogowskispulen ist seit langem bekannt, ist in jüngster Zeit aber besonders aktuell geworden, siehe z. B. DE-U 94 21 240 oder DE-C 195 23 725.
Das geschilderte Verhalten des Auslösers würde dazu führen, dass ein an sich vorteilhafter hoher Dynamikbereich nicht ausgenutzt werden könnte, da für den Überstromauslδser eine Begrenzung des Verhältnisses von IR/Isd oder eine Begrenzung des Trägheitsgrades tR erforderlich wäre. Mit solchen Begren- zungen könnte aber die Möglichkeit der Selektivitätsstaffelung ebenso verloren gehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Überstromauslöser für einen Niederspannungs-Leistungs- Schalter anzugeben, für den sichergestellt ist, dass er im gesamten Strombereich eine monoton fallende Gesamtkennlinie aufweist .
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Danach ist die Kennlinie des Uberstromauslosers im Überlast- bereich für einen vor Erreichen des kurzverzögerten Kurz- Schlussbereiches liegenden Kennlinienabschnitt auf eine stromunabhängige, von der Kurzverzogerungszeit tsd abhängige Verzögerungszeit tsdi, die mindestens genauso groß ist wie die Kurzverzogerungszeit tsd, einstellbar. Die stromunabhängige Verzögerungszeit tsai kann dabei ein um einen vorgegebenen Prozentwert oder um einen konstanten Wert erhöhter Wert der Kurzzeitverzögerung tSd sein.
Der Uberstromauslöser kann aus den vorgegebenen Kennwerten eindeutig das Strom-Zeit-Wertepaar für den Übergang der mit I2t = const . fallenden Überlastkennlinie in den stromunabhängigen Überlastbereich bestimmen. Dieses Wertepaar kann nun für jeden Uberstromauslöser in der Selektivitätsbetrachtung so gelegt werden, dass die horizontal verlaufenden Kennlinienabschnitte den geforderten Mindestabstand voneinander haben. Eine Einstellung dieses Wertepaares erübrigt sich für den Anwender, da die Werte sich aus den vorhandenen Einstell- werten ergeben.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei- spiels näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 den Kennlinienverlauf eines erfindungsgemäßen Uberstromauslosers und Fig. 2 die Grobstruktur eines solchen Uberstromauslosers.
In Fig. 1 ist der Kennlinienverlauf eines elektronischen Uberstromauslosers dargestellt. Aufgetragen ist die Auslösezeit ta über dem auf den Ansprechstrom IR bezogenen Strom I . Die Kennlinie wird neben dem Ansprechstrom IR bestimmt durch den Trägheitsgrad tR, der hier durch die Auslösezeit ta beim δfachen des Ansprechstromes IR festgelegt ist, sowie durch den Einstellwert für den kurzverzögerten Kurzschlussstrom IΞd und die zugehörige Kurzverzogerungszeit tsd. Der Beginn des unverzögerten Bereiches ist darüber hinaus durch den Einstellwert für den unverzögerten Kurzschlussstrom Ii festge- legt. Der anfängliche senkrechte Kennlinienteil liegt gemäß
IEC 60 947-2 zwischen dem 1,05 und dem l,2fachen des Ansprechstromes IR. Die gezeigte Kennlinienform ergibt sich beim Eintragen der Werte in ein doppeltlogarithmisches Koor- dinatensystem.
Es entstehen somit zunächst drei Bereiche: der Überlastbereich I, in dem I2t = const. gilt, und als Bereiche mit stromunabhängiger Verzögerungszeit ta der Bereich der kurzverzö- gerten Kurzschlussauslösung II und der Bereich der unverzögerten Kurzschlussauslösung III.
Ist wie in dem gezeigten Beispiel der Einstellwert für den kurzverzögerten Kurzschlussstrom Isd entsprechend hoch gegen- über dem Ansprechstrom IR eingestellt, was bei der Verwendung von Rogowskispulen für die Strommessung möglich wird, so fällt die Kennlinie noch im Überlastbereich I unter den Einstellwert für den kurzverzögerten Kurzschlussstrom Isd. Die Kennlinie wäre damit nicht mehr eindeutig und könnte eine in der Selektivitätsstaffelung unter der gezeigten Kennlinie liegende Kennlinie eines Leistungsschalters der nächstniedrigeren Selektivitätsstufe schneiden. Damit wäre die Selektivität nicht mehr gegeben.
Durch die Vorgabe eines weiteren Parameters wird nun dafür gesorgt, dass die Überlastkennlinie immer deutlich über der Kurzverzogerungszeit tsd liegt. Dazu wird als zusätzlicher Kennlinienabschnitt ein stromunabhängiger Überlastbereich IV eingestellt, der den monoton fallenden Teil des Überlastbe- reiches I mit dem Bereich der kurzverzögerten Kurzschlussauslösung II verbindet. Die vertikale Positionierung des stromunabhängigen Überlastbereiches IV erfolgt durch Addition eines konstanten Zeitwertes, z. B. von 0,2 s, zur Kurzverzögerungs- zeit tSd zu einer stromunabhängigen Verzögerungszeit tsa_,. Die
Selektivität zu nachgeordneten Leistungsschaltern ist somit wieder möglich.
Bei mikroprozessorgesteuerten Auslösern ist eine rein softwaremäßige Realisierung möglich. Durch eine einfache WENN- Abfrage kann sichergestellt werden, dass der Überlastschutz nicht bei einer kürzeren Zeit als bei der Kurzverzogerungszeit tSd plus einem eingestellten Zeitwert auslöst. Das Strom-Zeit-Wertepaar für den Übergang des monoton fallenden Überlastbereiches I in den stromunabhängigen Überlastbereich IV kann bei elektronischen Überstromauslösern in jedem Fall durch den Auslöser selbst bestimmt werden, so dass keine weitere Einstellung vorzunehmen ist.
Fig. 2 zeigt die Funktion eines Uberstromauslosers anhand eines Strukturbildes. Neben den Parametern Ansprechstrom IR, Trägheitsgrad tR, kurzverzögerter Kurzschlussstrom Isd/ Kurzverzogerungszeit tSd und unverzδgerter Kurzschlussstrom 1± wird für den Überlastschütz ein weiterer Parameter für den stromunabhängigen Überlastbereich IV bereitgestellt, der sich aus dem Einstellwert für die Kurzverzogerungszeit tsd durch Summation mit einem konstanten Zeitwert, hier 0,2 s, ergibt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronischer Uberstromauslöser für einen Niederspan- nungs-Leistungsschalter mit einer durch die Einstellwerte An- sprechstrom (IR) , Trägheitsgrad (tR) , kurzverzögerter Kurz- schlussstrom (ISd) , Kurzverzogerungszeit (tSd ) und unverzö- gerter Kurzschlussstrom (Ii) in einen Überlastbereich (I) , einen kurzverzögerten Kurzschlussbereich (II) und einen unverzögerten Kurzschlussbereich (III) unterteilten Kennlinie, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass seine Kennlinie im Überlastbereich (I) für einen vor Erreichen des kurzverzögerten Kurzschlussbereiches (II) liegenden Kennlinienabschnitt auf eine stromunabhängige, von der Kurzverzogerungszeit (tSd) abhängige Verzögerungszeit (tsdi) einstellbar ist, die mindestens genauso groß ist wie die Kurzverzogerungszeit (tSd) .
2. Uberstromauslöser nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die stromunabhängige Verzögerungszeit (tsdi) im Überlastbereich ein um einen vorgegebenen Prozentwert der Kurzverzogerungszeit (tsd) erhöhter Wert der Kurzverzogerungszeit (tsd) ist .
3. Uberstromauslöser 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 stromunabhängige Verzögerungszeit (tsdi) im Überlastbereich ein um eine vorgegebenen Zeit erhöhter Wert der Kurzverzogerungszeit (ts<a) ist.
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Inventor name: REHAAG, HANS

Inventor name: PANCKE, ANDREAS

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