WO2011036287A1 - Vorrichtung zum kurzschliessen - Google Patents

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WO2011036287A1
WO2011036287A1 PCT/EP2010/064238 EP2010064238W WO2011036287A1 WO 2011036287 A1 WO2011036287 A1 WO 2011036287A1 EP 2010064238 W EP2010064238 W EP 2010064238W WO 2011036287 A1 WO2011036287 A1 WO 2011036287A1
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WO
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voltage
short
circuiting
control unit
current
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/064238
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English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Kuderewski
Martin Altmann
Martin HÜNNER
Hartmut Schorrig
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/043—Protection of over-voltage protection device by short-circuiting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60M—POWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M5/00—Arrangements along running rails or at joints thereof for current conduction or insulation, e.g. safety devices for reducing earth currents
    • B60M5/02—Means for reducing potential difference between rail and adjacent ground
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/04—Arrangements for preventing response to transient abnormal conditions, e.g. to lightning or to short duration over voltage or oscillations; Damping the influence of dc component by short circuits in ac networks
    • 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
    • H02H3/44—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 the rate of change of electrical quantities

Definitions

  • the invention relates to a device for limiting a voltage according to the preamble of patent claim 1.
  • a device for limiting the voltage with a short-circuiting device which establishes a connection between return conductor and earth before exceeding an allowable voltage level.
  • Such an apparatus comprises one or more pa ⁇ rallel-connected short-circuiting means, such as a surge arrester, a power semiconductor set of example, at least two antiparallel connected thyristors, and a contactor which different power ranges aufwei ⁇ sen because of their technical properties.
  • the surge arrester has the task of protecting the components of the short-circuiting device against lightning current stress.
  • the thyristor set breaks down high overvoltages in the microsecond range and generally has to carry very high fault currents until the response of other short-circuiting devices.
  • the power contactor has the task to produce a potential compensation in the Doomed by high load currents during intense traction ⁇ gentle, unacceptably high stresses in the seconds to minutes range primary. It has the secondary function of relieving the thyristor set at high fault currents after approximately 50 ms to 100 ms.
  • Such short-circuit devices are known for example from the published patent application DE 198 37 628 A1 or from the international publication WO 01/06610 Al.
  • the response of the individual short-circuiting devices of such devices is coordinated by the height of the rail potential, ie the voltage between the rails and earth.
  • the rail potential ie the voltage between the rails and earth.
  • a decoupling choke can be arranged between the surge arrester and the thyristor set in order to prevent a rapid increase of the thyristor current.
  • the decoupling choke causes additional costs, requires installation volume and carries the risk of insufficient design for a lightning current load.
  • the invention is therefore based on the object to provide a Vorrich ⁇ device of the type mentioned, which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a genus ⁇ proper device for limiting a voltage with the features specified in the characterizing part of claim 1.
  • the device comprises a device for measuring a voltage change over time of the
  • Amperage in the first line and a control unit connected to this, which is designed for switching on the second short-circuiting device in dependence on the voltage and the measured current intensity change, is advantageously exploited a selective detection of the stress of the device.
  • This can be prevented by the control unit, a response of the second short-circuiting device in lightning current stresses, whereby damage to the second short-circuiting device can be avoided by high lightning currents.
  • the first short-circuiting device is preferably designed as a surge arrester in the form of a varistor, for example a zinc oxide varistor, while the second short-circuiting device is formed by a set of at least two antiparallel-connected thyristors.
  • a varistor for example a zinc oxide varistor
  • the second short-circuiting device is formed by a set of at least two antiparallel-connected thyristors.
  • the measuring device has an inductance, whereby the current intensity change can be measured by the voltage induced in the inductance by these.
  • the increase in current strength can be indirectly by ei ⁇ NEN simple tap of the induced voltage measure, whereby the inductance is formed by a coil with a lower Messindukti ⁇ tivity, for example through a connecting line or connecting rail. Since the induced voltage ⁇ di rectly proportional to the rate of change of the inductor current flowing through, and the difference in induced voltage between lightning current and fault current stress is typically two orders of magnitude.
  • control unit is adapted to compare the voltage indu ⁇ ed with at least one threshold voltage and the voltage applied between the electrical conductors voltage with the operating voltage. By comparing the voltage applied between the electrical conductors with the response voltage, it is determined whether there is an overvoltage in the sense of the relevant standards, which should respond to a short-circuiting device between the conductors. Through the parallel comparison of the induced voltage with at least one threshold voltage, it is detected whether the device is subjected to a lightning or a fault current. Characterized the control unit is capable of the second short ⁇ closing means selectively, that is depending on the PRESENT stress to raise or to turn.
  • an upper limit voltage is predetermined in the control unit of the device according to the invention, above which an induced voltage can be attributed to a lightning current activation. Assuming a lightning current of a current rise rate of about 1000 ⁇ / ⁇ , a voltage of 200 V is induced at an inductance of 0.2 ⁇ , for example. Above this upper limit, it can be assumed that a lightning current is present.
  • the short-circuiting device switched on by the control unit when the measured between the conductors voltage exceeds the operating voltage and simultaneously the indu ⁇ ed voltage falls below the upper limit value or the lower limit.
  • the device according to the invention further comprises a third device, which is connected in parallel with the first and second short-circuiting device, for short-circuiting the lines, which is mechanically switchable when the voltage is exceeded via a closing voltage.
  • the third short-circuiting device is like caused by high load currents, unacceptably high stresses in the seconding ⁇ nevertheless to minutes and relieves the second short ⁇ closing means at high fault currents according to circa 50 ms to relieve up to 100 ms.
  • the third short-circuiting device can be designed, for example, as a power contactor.
  • FIG. 1 an electrical circuit diagram of the inventive device for limiting voltage is illustrated schematically.
  • the apparatus includes a first means 3 for short-circuiting the line 1 to line 2, which is formed as a surge voltage in the form of a varistor V, preferably as Me ⁇ talloxid varistor. Exceeds the clamping voltage Ul ⁇ a predetermined threshold, the Va ⁇ RISTOR V becomes conductive, corresponding to a response of the first short-circuiting device. 3
  • the varistor V is for
  • Blitzstrombe dimensioned and protects the walls ⁇ ren institutions of the invention short-circuiting device in such stresses.
  • the device further comprises a second device 4 for short-circuiting the line 1 to the line 2, which is connected in parallel to the first short-circuiting device 3 and is formed as a set of two antiparallel connected thyristors T.
  • the second short-circuiting device 4 is switchable electro ⁇ nisch and short lines 1 and 2 when exceeding the voltage Ul via a response voltage UB short.
  • the thyristor set T reduces high overvoltages Ul in the microsecond range and generally leads to very high fault currents until the response of other short-circuiting devices.
  • the response voltage UB is the voltage between track G and earth E, in which the thyristors T are ignited in the event of a fault in accordance with EN 50122-1.
  • the highest permissible contact voltage UB is between 940 V to
  • the device now comprises a device 5 for measuring a time change caused by the voltage U1 the current intensity di / dt in the first line 1.
  • the measuring device 5 an inductance L, in which a voltage proportional to the current change di / dt voltage U2 is induced.
  • the device according to the invention has a control unit 6 connected to the second short-circuiting device 4, which is designed to switch on the second short-circuiting device 4 in dependence on the voltage U1 and the induced voltage U2.
  • voltage meters are provided for measuring the track-earth voltage U1 and the induced voltage U2, which are integrated in the control unit 6 or are connected thereto for supplying the voltage measured values.
  • first comparator 61 In the control unit 6 of the measurement value of the voltage U2 ei ⁇ nem first comparator 61 is supplied, which compares this value with the upper limit voltage UX.
  • the measured value of the induced voltage U2 is fed to a second comparator 62, which compares the measured value with the response voltage UB of the second short-circuiting device 4.
  • the output of the first comparator 61 is via an inverter 63, while the output of the second comparator 62 is fed directly to an AND gate 64.
  • the measured value of the induced voltage U2 can be compared with the lower limit value UY in a comparator of the control unit 6. Is then the condition
  • the second short-circuiting device 4 is switched.
  • the output signals of the AND gate 64 are amplified by an amplifier 65 to ignite the thyristors T of the second short-circuiting device 4.
  • the amount of the measured voltage Ul and U2 is evaluated, so that the detection works bipolar.
  • the device also comprises a third device 8 for shorting the line 1 to the line 2, which is mechanically switchable and designed as a power contactor S.
  • the contactor S responds to high load currents, which are caused, for example, by intensive traction, in order to establish equipotential bonding for impermissibly high voltages in the second to minute range.
  • the power contactor S relieved after about 50 ms to 100 ms the thyristor T of the second short-circuiting device 4.
  • the stress occurring the pre ⁇ direction for limiting the rail potential by linking / dt by the rate of current rise di in ⁇ quizd voltage U2 detected with the track-earth voltage Ul and realized a selective response of each Kurzsch Strukturein- devices.
  • the response voltage UB is exceeded by the voltage U1, but at the same time the upper limit voltage UX is exceeded by the induced voltage U2, then the condition I U2 I> UX and
  • the upper limit value UX is so determined that an inadmissible stress of the Leis ⁇ semiconductor processing, for example, the thyristors T, by a Too high slope of the load current is prevented. In the case of a fault current, the thyristors T are ignited and the surge arrester 3, if a response has occurred, relieves without delay.
  • the inventive solution allows a simpler dimen sioning ⁇ V of the arrester of the first short-circuiting device 3, since there is no need to take account of the error or a result ⁇ current in its interpretation. It also allows effective protection of the thyristors T of the second short-circuiting device 4 against too high current rise rates by setting the appropriate response voltage UX, from which the thyristors T are not ignited.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Begrenzen einer Spannung (U1) zwischen einer ersten elektrischen Leitung (1), insbesondere verbunden mit einer Fahrschiene (G) einer Gleichstrombahn, und einer zweiten elektrischen Leitung (2), insbesondere verbunden mit Erde (E). Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine erste Einrichtung (3) zum Kurzschließen der Leitungen (1, 2), die bei Überschreiten der Spannung (U1) über eine Schwellspannung anspricht, und eine zu dieser parallel geschaltete zweite Einrichtung (4) zum Kurzschließen der Leitungen (1, 2), die bei Überschreiten der Spannung (U1) über eine Ansprechspannung (UB) elektronisch schaltbar ist. Durch eine Einrichtung (5) zum Messen einer durch die Spannung (U1) bewirkten zeitlichen Änderung der Stromstärke (di/dt) in der ersten Leitung (1) und durch eine mit dieser verbundene Steuereinheit (6), die zum Anschalten der zweiten Kurzschließeinrichtung (4) in Abhängigkeit der Spannung (U1) und der gemessenen Stromstärkeänderung (di/dt) ausgebildet ist, wird ein einfaches Dimensionieren der ersten Kurzschließeinrichtung (3) sowie ein Schutz der zweiten Kurzschließeinrichtung (4) bei Beanspruchungen mit hohen Strom- Stärkeänderungen ermöglicht.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Kurzschließen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Begrenzen einer Spannung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die elektrische Sicherheit und Erdung in ortsfesten Anlagen, die mit Gleichstrom-Bahnanlagen verbunden sind, erfordert ge- wisse Schutzmaßnahmen, deren Anforderungen in der Norm EN
50122-1 festgelegt sind. Insbesondere ist sicher zu stellen, dass zwischen den Fahrschienen, die als Rückleiter benutzt werden, und Erde, also dem leitfähigen mit den Fahrschienen verbundenen Erdreich, keine unzulässig hohen Spannungen auf- treten.
Ursache für hohe Spannungen können Blitzeinschläge, Isolatorüberschläge, gerissene Fahrleitungen, die auf eine Fahrschie¬ ne oder auf andere leitfähige Bauteile - wie zum Beispiel Me- tallzäune - fallen, Gerüstschlüsse im Bahnspeisegleichrichter oder aber auch sehr hohe Lastströme bei intensivem Zugbetrieb sein .
Zur Vermeidung unzulässig hoher Spannungen ist der Einsatz einer Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung mit Kurzschließer bekannt, die vor dem Überschreiten eines erlaubten Spannungspegels eine Verbindung zwischen Rückleiter und Erde herstellt. Eine solche Vorrichtung umfasst eine oder mehrere pa¬ rallel geschaltete Kurzschließeinrichtungen, beispielsweise einen Überspannungsabieiter, einen Leistungshalbleitersatz aus beispielsweise mindestens zwei antiparallel geschalteten Thyristoren und ein Leistungsschütz, die aufgrund ihrer technischen Eigenschaften verschiedene Leistungsbereiche aufwei¬ sen. Dadurch ergibt sich das Problem, dass bei schnellen und energiereichen Ereignissen einzelne Schutzeinrichtungen, deren Leistungsaufnahme begrenzt ist, geschädigt werden können. Der Überspannungsabieiter hat die Aufgabe, die Komponenten der Kurzschlussvorrichtung vor Blitzstrombeanspruchung zu schützen. Der Thyristorsatz baut im Mikrosekundenbereich hohe Überspannungen ab und muss im Allgemeinen sehr hohe Fehler- ströme bis zum Ansprechen von anderen Kurzschließeinrichtungen führen. Das Leistungsschütz hat primär die Aufgabe, bei den durch hohe Lastströme bei intensivem Zugbetrieb verur¬ sachten, unzulässig hohen Spannungen im Sekunden- bis Minutenbereich einen Potentialausgleich herzustellen. Es hat se- kundär die Aufgabe, bei hohen Fehlerströmen nach circa 50 ms bis 100 ms den Thyristorsatz zu entlasten.
Derartige Kurzschlussvorrichtungen sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 198 37 628 AI oder aus der inter- nationalen Veröffentlichung WO 01/06610 AI bekannt.
Das Ansprechen der einzelnen Kurzschließeinrichtungen derartiger Vorrichtungen wird durch die Höhe des Schienenpotenzials, also der Spannung zwischen den Fahrschienen und Erde, koordiniert. Bei einer Blitzstrombeanspruchung können der
Überspannungsabieiter und der Thyristorsatz gleichzeitig ansprechen. Um die Beschädigungsgefahr der Thyristoren durch einen schnellen Stromanstieg - etwa im Falle eines Blitzstro¬ mes - einzudämmen, sind zwei Maßnahmen bekannt.
Einerseits kann zwischen dem Überspannungsabieiter und dem Thyristorsatz eine Entkopplungsdrossel angeordnet werden, um einen schnellen Anstieg des Thyristorstroms zu verhindern. Allerdings verursacht die Entkopplungsdrossel zusätzliche Kosten, benötigt Einbauvolumen und birgt das Risiko einer für eine Blitzstrombeanspruchung unzureichenden Auslegung.
Andererseits kann eine Zündverzögerung der Thyristoren im Millisekundenbereich - bis der Blitzstrom durch den Überspan- nungsableiter abgeklungen ist - vorgesehen sein. Diese Maßnahme wird beispielsweise in der internationalen Veröffentli¬ chung WO 03/034565 AI vorgeschlagen. Allerdings verursacht eine Verzögerung der Thyristorzündung eine härtere Beanspru- chung des Überspannungsabieiters durch mögliche hohe Fehler¬ ströme, etwa in Folge einer gerissenen Fahrleitung. Damit wäre entweder ein Defekt in Kauf zu nehmen oder der Überspannungsabieiter überdimensioniert auszulegen, was wiederum mehr Bauraum erfordert und höhere Kosten verursacht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich¬ tung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die genannten Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gattungs¬ gemäße Vorrichtung zum Begrenzen einer Spannung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Indem die Vorrichtung eine Einrichtung zum Messen ei- ner durch die Spannung bewirkten zeitlichen Änderung der
Stromstärke in der ersten Leitung und eine mit dieser verbundene Steuereinheit umfasst, die zum Anschalten der zweiten Kurzschließeinrichtung in Abhängigkeit der Spannung und der gemessenen Stromstärkeänderung ausgebildet ist, wird mit Vor- teil eine selektive Erkennung der Beanspruchung der Vorrichtung ausgenutzt. Dieser selektiven Erkennung der Beanspruchung liegt ein Unterschied in der Geschwindigkeit des Strom¬ anstiegs bei Blitzstrom- und bei Fehlerstrombeanspruchung zugrunde, der beispielsweise zwei Größenordnungen ausmachen kann. Damit kann über die Steuereinheit ein Ansprechen der zweiten Kurzschließeinrichtung bei Blitzstrombeanspruchungen verhindert werden, wodurch Beschädigungen der zweiten Kurzschließeinrichtung durch hohe Blitzströme vermieden werden. Die erste Kurzschließeinrichtung ist dabei vorzugsweise als Überspannungsabieiter in Form eines Varistors, beispielsweise eines Zinkoxid-Varistors ausgebildet, während die zweite Kurzschließeinrichtung durch einen Satz von wenigstens zwei antiparallel geschalteten Thyristoren gebildet wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist die Messeinrichtung eine Induktivität auf, wodurch die Stromstärkeänderung anhand der durch diese in der Induktivität induzierten Spannung messbar ist. Auf diese Wei- se lässt sich der Anstieg der Stromstärke indirekt durch ei¬ nen einfachen Abgriff der induzierten Spannung messen, wobei die Induktivität durch eine Spule mit geringerer Messindukti¬ vität gebildet wird, zum Beispiel durch eine Verbindungslei- tung oder Verbindungsschiene. Da die induzierte Spannung di¬ rekt proportional zur zeitlichen Änderung des die Induktivität durchfließenden Stromes ist, beträgt auch der Unterschied in der induzierten Spannung zwischen Blitzstrom- und bei Fehlerstrombeanspruchung typischerweise zwei Größenordnungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die indu¬ zierte Spannung mit wenigstens einer Grenzspannung und die zwischen den elektrischen Leitern anliegende Spannung mit der Ansprechspannung zu vergleichen. Durch den Vergleich der zwischen den elektrischen Leitern anliegenden Spannung mit der Ansprechspannung wird ermittelt, ob eine Überspannung im Sinne der einschlägigen Normen vorliegt, die eine Kurzschlie߬ einrichtung zwischen den Leitern ansprechen soll. Durch den hierzu parallelen Vergleich der induzierten Spannung mit wenigstens einer Grenzspannung wird erfasst, ob die Vorrichtung durch einen Blitz- oder einen Fehlerstrom beansprucht wird. Dadurch ist die Steuereinheit in der Lage, die zweite Kurz¬ schließeinrichtung selektiv, d.h. in Abhängigkeit der vorlie- genden Beanspruchung, anzusprechen bzw. zu schalten.
Vorzugsweise ist in der Steuereinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine obere Grenzspannung vorgegeben, oberhalb welcher eine induzierte Spannung auf eine Blitzstrombeanspru- chung zurückführbar ist. Geht man bei einem Blitzstrom von einer Stromanstiegsgeschwindigkeit von etwa 1000 Α/με aus, wird an einer Induktivität von beispielsweise 0,2 μΗ eine Spannung von 200 V induziert. Über diesem oberen Grenzwert kann davon ausgegangen werden, dass eine Blitzstrombeanspru- chung vorliegt.
Des Weiteren ist vorzugsweise in der Steuereinheit der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung eine untere Grenzspannung vorgege- ben, unterhalb welcher eine induzierte Spannung auf eine Feh¬ lerstrombeanspruchung zurückführbar ist. Geht man bei einem Fehlerstrom von einer Stromanstiegsgeschwindigkeit von etwa 10 Α/με aus, wird an einer Induktivität von beispielsweise 0,2 μΗ eine Spannung von 2 V induziert. Unter diesem unteren Grenzwert kann davon ausgegangen werden, dass eine Fehlerstrombeanspruchung vorliegt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schaltet die Kurzschließeinrichtung durch die Steuereinheit, wenn die zwischen den Leitern gemessene Spannung die Ansprechspannung überschreitet und gleichzeitig die indu¬ zierte Spannung den oberen Grenzwert oder den unteren Grenzwert unterschreitet. Überschreitet die zwischen den Leitern anliegende Spannung die Ansprechspannung, also die höchste zulässige Berührspannung bei Kurzzeitvorgängen oder die höchste zulässige abgreifbare Spannung bei begrenzten Vorgän¬ gen, dann wird die zweite Kurzschließeinrichtung nur geschaltet, wenn die durch die Strombeanspruchung induzierte Spannung entweder niedriger als die obere, für Blitzstrombeanspruchungen gültige Grenzspannung oder niedriger als die untere, für Fehlerstrombeanspruchung gültige Grenzspannung ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass die zweite Kurzschlie߬ einrichtung nur bei Fehlerströmen und nicht auch bei Blitzströmen beansprucht wird, was Beschädigungen der zweiten Kurzschließeinrichtung durch zu große Strombeanspruchungen vermeidet .
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die erfin- dungsgemäße Vorrichtung ferner eine zur ersten und zweiten Kurzschließeinrichtung parallel geschaltete dritte Einrichtung zum Kurzschließen der Leitungen, die bei Überschreiten der Spannung über eine Schließspannung mechanisch schaltbar ist. Die dritte Kurzschließeinrichtung gleicht durch hohe Lastströme verursachte, unzulässig hohen Spannungen im Sekun¬ den- bis Minutenbereich aus und entlastet die zweite Kurz¬ schließeinrichtung bei hohen Fehlerströmen nach circa 50 ms bis 100 ms zu entlasten. Die dritte Kurzschließeinrichtung kann beispielsweise als Leistungsschütz ausgebildet sein.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung der Zeichnung, in deren einziger Figur ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung schematisch veranschaulicht ist. Gemäß der einzigen Figur wird eine erfindungsgemäße Vorrich¬ tung zum Begrenzen einer Spannung Ul zwischen einer ersten elektrischen Leitung 1, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer als Rückleiter verwendeten Fahrschiene G ei¬ ner Gleichstrombahn verbunden ist, und einer zweiten elektri- sehen Leitung 2, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mit Erde E verbunden ist, eingesetzt.
Die Vorrichtung umfasst eine erste Einrichtung 3 zum Kurzschließen der Leitung 1 mit der Leitung 2, die als Überspan- nungsableiter in Form eines Varistors V, vorzugsweise als Me¬ talloxid-Varistor, ausgebildet ist. Überschreitet die Span¬ nung Ul eine vorgegebene Schwellspannung, so wird der Va¬ ristor V leitend, was einem Ansprechen der ersten Kurzschließeinrichtung 3 entspricht. Der Varistor V ist für
Blitzstrombeanspruchungen dimensioniert und schützt die ande¬ ren Einrichtungen der erfindungsgemäßen Kurzschließvorrichtung bei solchen Beanspruchungen.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine zweite Einrichtung 4 zum Kurzschließen der Leitung 1 mit der Leitung 2, die parallel zur ersten Kurzschließeinrichtung 3 geschaltet ist und als Satz von zwei antiparallel geschalteten Thyristoren T ausgebildet ist. Die zweite Kurzschließeinrichtung 4 ist elektro¬ nisch schaltbar und schließt die Leitungen 1 und 2 bei Über- schreiten der Spannung Ul über eine Ansprechspannung UB kurz. Der Thyristorsatz T baut im Mikrosekundenbereich hohe Überspannungen Ul ab und führt im Allgemeinen sehr hohe Fehlerströme bis zum Ansprechen von anderen Kurzschließeinrichtun- gen. Die Ansprechspannung UB ist dabei die Spannung zwischen Gleis G und Erde E, bei der die Thyristoren T im Fehlerfall gemäß EN 50122-1 gezündet werden. Für Kurzzeitvorgänge mit einer Stromflussdauer von 0,02 s bis zu 0,5 s beträgt die höchste zulässige Berührungsspannung UB zwischen 940 V bis
395 V. Bei begrenzten Vorgängen mit einer Stromflussdauer von 0,6 s bis zu 300 s beträgt die höchste zulässige abgreifbare Spannung UB zwischen 310 V bis 150 V. Erfindungsgemäß umfasst nun die Vorrichtung eine Einrichtung 5 zum Messen einer durch die Spannung Ul bewirkten zeitlichen Änderung der Stromstärke di/dt in der ersten Leitung 1. Hierzu weist die Messeinrichtung 5 eine Induktivität L auf, in der eine zur Stromstärkeänderung di/dt proportionale Spannung U2 induziert wird. Wird eine geringe Messinduktivität von beispielsweise 0,2 μΗ verwendet, was mit Vorteil bereits durch eine Verbindungsleitung oder Verbindungsschiene erreicht wird, so beträgt die induzierte Spannung U2 bei einer Blitzstrombeanspruchung mit einer Stromstärkeänderung von we- nigstens di/dt = 1000 Α/με mindestens
1000 Α/μ3 · 0,2 μΗ = 200 V =: UX, während sie bei einer Fehlerstrombeanspruchung mit einer Stromstärkeänderung von weniger als di/dt = 10 Α/με höchstens
Figure imgf000009_0001
beträgt. Hierbei wurden die ohmschen Spannungsabfälle an der Messeinrichtung 5 der Einfachheit halber nicht berücksichtigt .
Durch die Vorgabe einer oberen Grenzspannung UX für die
Blitzstrombeanspruchung und einer unteren Grenzspannung UY für die Fehlerstrombeanspruchung stehen für die Ansteuerung der zweiten Kurzschließeinrichtung 4 mehrere Ansprechkriterien zur Verfügung, die ein selektives und damit unschädli¬ ches Ansprechen ermöglichen. Der selektiven Erkennung der Be- anspruchung liegt ein Unterschied in der Stromanstiegge¬ schwindigkeit bei Blitzstrom- und Fehlerstrombeanspruchung zugrunde . Zur Umsetzung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine mit der zweiten Kurzschließeinrichtung 4 verbundene Steuereinheit 6 auf, die zum Anschalten der zweiten Kurzschließeinrichtung 4 in Abhängigkeit der Spannung Ul und der induzierten Spannung U2 ausgebildet ist. Hierzu sind nicht dargestellte Span- nungsmesser zur Messung der Gleis-Erde-Spannung Ul und der induzierten Spannung U2 vorgesehen, die in der Steuereinheit 6 integriert sind oder mit dieser zur Zuführung der Spannungsmesswerte verbunden sind. In der Steuereinheit 6 wird der Messwert der Spannung U2 ei¬ nem ersten Vergleicher 61 zugeführt, der diesen Messwert mit der oberen Grenzspannung UX vergleicht. Der Messwert der induzierten Spannung U2 wird einem zweiten Vergleicher 62 zugeführt, der den Messwert mit der Ansprechspannung UB der zwei- ten Kurzschließeinrichtung 4 vergleicht. Der Ausgang des ersten Vergleichers 61 ist über einen Inverter 63, während der Ausgang des zweiten Vergleichers 62 direkt an ein UND-Glied 64 geführt ist. Ist die Bedingung I U2 I < UX und | Ul | > UB erfüllt, werden die Thyristoren T der zweiten Kurzschließeinrichtung 4 gezündet und der Überspannungsabieiter V der ersten Kurzschließeinrichtung 3, falls ein Ansprechen stattge- funden hat, sofort entlastet.
Alternativ oder zusätzlich kann in einem Vergleicher der Steuereinheit 6 der Messwert der induzierten Spannung U2 mit dem unteren Grenzwert UY verglichen werden. Ist dann die Be- dingung
I U2 I < UY und | Ul | > UB erfüllt, wird die zweite Kurzschließeinrichtung 4 geschaltet. In jedem Fall werden die Ausgangssignale des UND-Glieds 64 über einen Verstärker 65 verstärkt, um die Thyristoren T der zweiten Kurzschließeinrichtung 4 zu zünden.
Es wird jeweils der Betrag der gemessenen Spannung Ul und U2 ausgewertet, so dass die Erkennung bipolar arbeitet.
Die Vorrichtung umfasst noch eine dritte Einrichtung 8 zum Kurzschließen der Leitung 1 mit der Leitung 2, die mechanisch schaltbar und als Leistungsschütz S ausgebildet ist. Das Leistungsschütz S spricht bei hohen Lastströmen an, die beispielsweise durch intensiven Zugbetrieb verursacht werden, um bei unzulässig hohen Spannungen im Sekunden- bis Minutenbe- reich einen Potentialausgleich herzustellen. Bei hohen Fehlerströmen entlastet das Leistungsschütz S nach circa 50 ms bis 100 ms den Thyristorsatz T der zweiten Kurzschließeinrichtung 4. Erfindungsgemäß wird die auftretende Beanspruchung der Vor¬ richtung zum Begrenzen des Schienenpotenzials durch eine Verknüpfung der durch die Stromanstieggeschwindigkeit di/dt in¬ duzierten Spannung U2 mit der Gleis-Erde-Spannung Ul erkannt und ein selektives Ansprechen der einzelnen Kurzschließein- richtungen realisiert. Wird die Ansprechspannung UB durch die Spannung Ul, aber gleichzeitig die obere Grenzspannung UX durch die induzierte Spannung U2 überschritten, gilt also die Bedingung I U2 I > UX und | Ul | > UB, so wird ein Ansprechen der zweiten Kurzschließeinrichtung 4 verhindert, so dass bei einer Blitzstrombeanspruchung nur der Überspannungsabieiter der ersten Kurzschließeinrichtung 3 an- spricht, die Thyristoren T der zweiten Kurzschließeinrichtung 4 aber nicht gezündet werden. Der obere Grenzwert UX wird so festgelegt, dass eine unzulässige Beanspruchung der Leis¬ tungshalbleiter, beispielsweise der Thyristoren T, durch eine zu hohe Steilheit des Laststromes verhindert wird. Bei einem Fehlerstrom werden die Thyristoren T gezündet und der Über- spannungsableiter 3, falls ein Ansprechen stattgefunden hat, unverzögert entlastet.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine einfachere Dimen¬ sionierung des Ableiters V der ersten Kurzschließeinrichtung 3, da keine Notwendigkeit besteht, den Fehler- bzw. Folge¬ strom in dessen Auslegung zu berücksichtigen. Sie ermöglicht außerdem einen effektiven Schutz der Thyristoren T der zweiten Kurzschließeinrichtung 4 gegen zu hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten durch entsprechende Festlegung der Ansprechspannung UX, ab der die Thyristoren T nicht gezündet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Begrenzen einer Spannung (Ul) zwischen einer ersten elektrischen Leitung (1), insbesondere verbunden mit einer Fahrschiene (G) einer Gleichstrombahn, und einer zweiten elektrischen Leitung (2), insbesondere verbunden mit Erde (E) , umfassend wenigstens eine erste Einrichtung (3) zum Kurzschließen der Leitungen (1, 2), die bei Überschreiten der Spannung (Ul) über eine Schwellspannung anspricht, und eine zu dieser parallel geschaltete zweite Einrichtung (4) zum
Kurzschließen der Leitungen (1, 2), die bei Überschreiten der Spannung (Ul) über eine Ansprechspannung (UB) elektronisch schaltbar ist, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Einrichtung (5) zum Messen einer durch die Spannung (Ul) be- wirkten zeitlichen Änderung der Stromstärke (di/dt) in der ersten Leitung (1) und durch eine mit dieser verbundene Steuereinheit (6), die zum Anschalten der zweiten Kurzschließeinrichtung (4) in Abhängigkeit der Spannung (Ul) und der gemessenen Stromstärkeänderung (di/dt) ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
wobei die Messeinrichtung (5) eine Induktivität (L) aufweist und die Stromstärkeänderung (di/dt) anhand der durch diese in der Induktivität (L) induzierten Spannung (U2) messbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet ist, die indu¬ zierte Spannung (U2) mit wenigstens einer Grenzspannung (UX, UY) und die zwischen den elektrischen Leitern (1, 2) anlie- gende Spannung (Ul) mit der Ansprechspannung (UB) zu vergleichen .
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
wobei in der Steuereinheit (6) eine obere Grenzspannung (UX) vorgegeben ist, oberhalb welcher eine induzierte Spannung (U2) auf eine Blitzstrombeanspruchung zurückführbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
wobei in der Steuereinheit (6) eine untere Grenzspannung (UY) vorgegeben ist, unterhalb welcher eine induzierte Spannung (U2) auf eine Fehlerstrombeanspruchung zurückführbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
wobei die Kurzschließeinrichtung (4) durch die Steuereinheit (6) schaltet, wenn die zwischen den Leitern (1, 2) gemessene Spannung (Ul) die Ansprechspannung (UB) überschreitet und gleichzeitig die induzierte Spannung (U2) den oberen Grenz¬ wert (UX) oder den unteren Grenzwert (UY) unterschreitet.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
umfassend eine zur ersten und zweiten Kurzschließeinrichtung (3, 4) parallel geschaltete dritte Einrichtung (8) zum Kurz¬ schließen der Leitungen (1, 2), die bei Überschreiten der Spannung (Ul) über eine Schließspannung (UB) mechanisch schaltbar ist.
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