DE2060990A1 - Elektrisches Schaltgeraet mit Schnellausloesung - Google Patents

Description

Elektrisches Schaltgerät mit Schnellauslösung

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät mit
Schnellauslösung, vorzugsweise einen Schnellschalter für
Gleichstrom» dessen "beweglicher Kontakt in öffnender Richtung ständig von einer Feder beeinflußt ist.

Um bei den genannten Geräten den beweglichen Kontakt in eingeschalteter Lage zu halten, ist es bereits bekannt, einen mit einer Auslösespule versehenen Haltemagneten zu verwenden. Die Auslösung bei Kurzschluß geschieht dabei gewöhnlich dadurch, daß der Hauptstrom oder ein Teil davon in einer Schleife um den Kern des Haltemagnets herumgeführt wird und dabei einen Fluß erzeugt, der dem Haltefluß des Magnets entgegenwirkt. Um ein Auslösen bei Rückstrom zu erhalten, ist ein besonderer AuslöGekreis mit Rückstromrelais erforderlich. Da bei diesen
ochaltgeräten die Hauptstrombahn direkt in das Auslösesystem eingeht, erfordert die Konstruktion relativ großen Platz und int außerdem, herstellungstechnisch gesehen, mechanisch kompli- /\<ivt. L)Lu Konstruktion er Lullt auch nicht die Forderung auf

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schnelle Auslösung, wie sie z.B. an moderne Stromrichteranlagen mit Halbleiterventilen gestellt wird.

Eei einer anderen bekannten Ausführung ist der bewegliche Kontakt so angeordnet, daß er von einem Sperrhakenrnechanismus in eingeschalteter Lage gehalten wird, der mit einem von einem elektronischen Stromderivatenauslöser beeinflußten Elektromagnet ausgelöst werden kann. Der Sperrhakenmechanismus bringt es jedoch u.a. mit sich, daß relativ große Massen in Bewegung gesetzt werden müssen, was sich nachteilig auf die Auslösezeit des Schalters auswirkt. Ein Mechanismus dieser Art ist während des Betriebes auch einem Verschleiß ausgesetzt, der zur Folge haben kann, daß der Schalter nach einer gewissen Zeit in mechanischer Hinsicht unzuverlässig wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Ausbildung eines Schaltgerätes der einleitend beschriebenen Art, das auch bei angestrengtem Betrieb zuverlässig arbeitet und wesentlich schneller ausge-P löst werden kann als bisher bekannte Ausführungen dieser Art. Dies ist gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der bewegliche Kontakt des Schaltgerätes mit einem mit Auslösespule versehenen Haltemagnet, dessen Haltekraft von einem Permanentmagnet kommt, in eingeschalteter Lage gehalten wird, wobei die Auslösespule in an sich bekannter Weise über ein elektronisches und von mit der Hauptstrombahn magnetisch verbundenen ntromnivoau- und eventuell, stromderIvateriabtastenden Organen f-ü£itüuerteö Schal tor^an an einem i'imu'gieypeichur a

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ist. Ein auf diese Weise ausgeführtes Auslösesystem entspricht der Forderung auf extrem kurze Auslösungszeiten, die bei einem stark strombegrenzenden Schalter Voraussetzung sind.

Eine besonders schnelle Auslösung kann erreicht werden, wenn man als Haltemagnet einen Schnellauslösemagnet der z.B. in der österreichischen Patentschrift 185 183 beschriebenen Art verwendet. Der Energiespeicher besteht dabei vorteilhaft aus einem Kondensator und das elektronische Schaltorgan aus einem Thyristor.

Das stromderivatenabtastende Organ kann vorteilhaft ein besonderer Stromtransformator sein, dessen Sekundärwicklung über eine Gleichrichterbrücke an einem Belastungswiderstand angeschlossen ist. Die Auslösungscharakteristik kann dabei auf einfache Weise variiert werden, indem man die Belastungsresistanz ändert, und mit Hilfe der Gleichrichterbrücke wird erreicht, daß die Steuerspannung die richtige Polarität erhält, auch wenn der Hauptstrom negative Richtung hat, d.h. bei Rückstrom.

Das stromniveauabtastende Organ kann mit Vorteil ein mit einem Luftspalt versehener Eisenkern mit einem Zungenelement im Anschluß an den Luftspalt sein. Mit einer solchen Anordnung kann das Stromniveau auf eine sehr einfache Weise abgetastet werden, ohne daß irgendwelche Eingriffe in den HauptStromkreis nötig sind, und die erforderliche Isolation zwischen dem Hauptstromkreis und dem Auslösekreis läßt sich auch bei den höchsten vorkommenden Betriebsspannungen ohne Schwierigkeiten erreichen.

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Auch bei dieser Ausführung kann die Auslösungscharakteristik leicht variiert werden, indem man die Lage des Zungenelements im Verhältnis zum Luftspalt ändert.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in dieser zeigen :

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Gleichstromschnellschalters

gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen-ausführlicheren Schaltplan für ein für den Schalter vorgesehenes Auslösesystem mit Stromderivatenauslöser und

Fig. 3 auf entsprechende Weise ein Auslösesystem mit Stromniveauauslöser.

Der in Fig. 1 gezeigte Schnellschalter liegt in einem Gleichstromkreis Λ und dient dazu, Kurzschlußströme zu unterbrechen, bevor sie unzulässig hohe Werte annehmen können. Der bewegliche Hauptkontakt 2 ist mit dem Anker 3 eines Schnellauslösemagnets 4 mechanisch gekuppelt. Der Magnet 4 enthält eine Auslösespule 5 und einen Permanentmagnet, der eine Haltekraft auf den Anker 3 ausübt und dadurch den Kontakt 2 gegen die Kraft einer starken Ausschaltfeder 6 in eingeschalteter Lage hält. Die Auslösespule 5 ist über einen Thyristor 8 an einem Kondensator 7 angeschlossen. Zur Steuerung des Thyristors 8 ist der Schalter sowohl mit einem, stromderivatenabtastenden sowie mit einem stromniveauabtastenden Organ versehen, die mit 9 bzw, 10 bezeichnet sind. In den meisten Fällen ist jedoch nur eines dieser Organe erforderlich.

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Das stromdeiivatenabtastende Organ 9 besteht aus einem besonderen Stromtransformator mit einem lamellierten Eisenkern, der die Hauptstrombahn 1 umschließt. Auf dem Eisenkern sitzt eine Sekundärwicklung 11, die an einem Belastungswiderstand einer elektronischen Steuerausrüstung 12 angeschlossen ist, sie ist im Anschluß an Fig. 2 näher beschrieben. Die Steuerausrüstung 12 wird über Anschlußklemmen 13 von einer Betriebsspannungsquelle gespeist. Der Stromtransformator 9 ist so bemessen, daß in dem aktuellen Meßbereich keine Sättigung des Kerns vorkommt. Auf der Sekundärseite des Transformators wird dabei eine EMK induziert, die zu der Stromderivate (di/dt) der Primärseite proportional ist. Mit Halfe der erhaltenen Spannung wird der Thyristor 8 gezündet» wobei sich der Kondensator 7 über die Spule 5 entlädt und der Schalter ausgelöst wird. Durch Änderung der Belastungsresistanz des Transformators kann man verschiedene Kurvenformen £ftr die gekitfidärspannung und damit auch eine gewisse Verzögerung des Zündaugenblicks erhalten.

Das stromniveauabtastende Organ 10 besteht aus einem um die Hauptstrombahn 1 herum angeordneten, mit eine® luftspalt versehenen Bisenkern 14, an dem in ä&r Sähe des Luftspaltes ein oder mehrere peraXlelgeschaltete Zpngenelemente 15 (Schutzgaskontakte) angeordnet sind, Di© AusXösungeeapfind«- lichkeit wird dadurch geändert, daß »an . z,B» mittels «iHÄT Schraube die Lage des Zungtnelementes 15 im Verhiltaiö zum

Luftspalt verändert. Bei einem gewissen Stromniveau spricht das Zungenelement an und der Thyristor 8 wird gezündet, wonach Auslösung erfolgt.

In Fig. 2 ist die Ausführung und Arbeitsweise eines Auslösesystems mit Stromderivatenauslöser ausführlicher gezeigt. Eine Betriebsspannungsquelle von z.B. 110 V Gleichstrom ist zwischen den Punkten +U und O angeschlossen. Der Kondensator 7 wird über die Widerstände 16 und 17 und die Spule 5 des Auslösemagnets aufgeladen. Eine Diode 18 verhindert, daß sich der Kondensator 7 entlädt. Bei normalem Betrieb ist daher der Kondensator 7 ständig aufgeladen und somit immer bereit, den Schalter auszulösen, wenn ein Zündimpuls an den mit der Auslösespule 5 und dem Kondensator 7 in Reihe geschalteten Thyristor 8 gegeben wird. Die Resistanz des Widerstands 16 muß so groß sein, z.B. 1 kOhm, daß der Thyristor 8 selbstlöschend wird. Die Resistanz des Widerstandes 17 ist dagegen relativ klein. Der Zündimpuls zum Thyristor 8 kommt von dem Stromtransformator 9, der über eine Gleichrichterbrücke 20 an einem Belastungswiderstand 19 angeschlossen ist. Diese Gleichrichterbrücke hat die Aufgabe, die Polarität der Steuerspannung zu ändern, wenn sie negativ ist, z.B. bei negativer Stromriehtung.

Parallel zu dem Belastungswiderstand 19 liegt ein Spannungsteiler 21, 22, der eine wechselnde Einstellung des Spannungs-

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niveausfür die Zündung des Thyristors 8 ermöglicht. Da die Spannung von dem Transformator 9 proportional di/dt ist, kann also der gewünschte Wert für die Auslösung leicht eingestellt werden. Der Zündimpuls wird der Steuerelektrode des Thyristors 8 über einen Widerstand 23 zugeführt. Zur Begrenzung der Steuerspannung ist eine Diode 24 oder mehrere reihengeschaltete Dioden zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors 8 eingeschaltet. Ein Schutzkreis für den Thyristor 8, bestehend aus einem Kondensator 25 in Reihe mit einem Widerstand 26, ist zwischender Anode und der Kathode des Thyristors 8 eingeschaltet. Um die Zündung des Thyristors 8 eine gewisse Zeit nach Betriebsspannungsunterbrechung zu ermögliche} enthält der Zündkreis des Thyristors einen Kondensator 27, der über einen Spannungsteiler 28, 29 und eine Diode 30 aufgeladen wird. Die Auslösung des Schalters geschieht durch Schließen eines Kontakts 31, der z.B. von einem Nullspannungsrelais gesteuert sein kann, wobei der aufgeladene Kondensator 27 an die Steuerelektrode des Thyristors angeschlossen wird. ' .

In dem in Fig. 3 gezeigten Auslösesystem mit Stromniveauauslöser sind die meisten der Komponenten der Anordnung nach Fig. 2 enthalten. Me Zündung des Thyristors 8 geschieht hier durch Schließen des Zimgenelementkontakts 15 des Niveauauslösers. ,Um StörspannungßzÜndung des Thyristors zu verhindern, ist seine Steuerelektrode über eine Diode 32 in Reihe mit einem Widerstand 33 am geerdeten Pol der BetriebsBpannungsquelle angeschlossen,

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und zu demselben Zweck ist ein Widerstand 34 eingeführt, wobei der Thyristor negative Vorspannung erhält. Zur Überwachung der Spannung über dem Kondensator 7 ist ein Relais 35 in Reihe mit einem Transistor 36 angeordnet, diese Komponenten erhalten geeignete Spannung und Strom mit Hilfe eines Spannungsteilers 37, 38, einer Zenerdiode 39 und der Widerstände 40, 41, 42 und 43. Ehe der Kondensator 7 aufgeladen ist, fließt ein Strom durch den Transistor 36 und das Relais 35, wobei dessen Kontakt 44 sich Schließt und die Betätigungsspule zu einem Zwischenrelais 45 über einen Widerstand 46 Strom erhält. Dabei öffnet sich ein Kontakt 47 im Steuerkreis für den Einschaltmotor des Schalters, so daß der Schalter nicht eingeschaltet werden kann. Wenn der Kondensator 7 aufgeladen ist, sperrt der Transistor 36, und die Relais 35 und 45 fallen ab, wonach der Schalter eingeschaltet werden kann. Dabei schließt sich ein in Reihe mit dem Thyristor 8 liegender Hllfskontakt 48 des Schalters, so daß das Auslösesystem unmittelbar in Funktion treten kann, wenn ein Kurzschluß eintreten sollte. Zur manuellen Auslösung des Schalters ist ein Druckknopf 49 parallel zum Relaiskontakt 44 angeordnet.

Um mit relativ mäßigen Kosten eine hohe Betriebssicherheit der Ausrüstung zu erreichen, ist es zweckmäßig, daß der Auslösemagnet 4 (Fig. 1) mit zwei Auslösespulen versehen ist, die an verschiedenen Speisungskreisen angeschlossen sind, die wiederum von einem für die Kreise gemeinsamen stromabtastenden Organ gesteuert werden. Bei einer solchen An-

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Ordnung kann man mit dem in Fig. 3 gezeigten Kondensatorüberwachungskreis den Schalter auslösen, wenn in dem einen der Auslösekreise ein Fehler am Kondensator 7> Unterbrechung in der Auslösespule 5 oder ein Kontaktfehler in der Verbindung zwischen der elektronischen Steuerausrüstung und der Auslösespule 5 auftritt. Dies erreicht man mit Hilfe eines Kontakts 50 auf dem Zwischenrelais 45» das mit dem Zungenelementkontakt 15 des stromniveauabtastenden Organs parallelgeschaltet ist. Wenn die Spannung über dem Kondensator 7 aufgrund eines der A obengenannten Fehler verschwindet, wird der Transistor 36 leitend, so daß der Kontakt 50 geschlossen und der Schalter mit Hilfe des parallel arbeitenden fehlerfreien Auslösekreises ausgelöst wird.

Um den Schalter auszulösen, wenn die Betriebsspannung verschwinden sollte, ist ein Nullspannungsrelais 51 mit einer Zenerdiode 52 und einem Widerstand 53 i& Reihe geschaltet.

Die im Anschluß an Fig. 2 und 3 beschriebene elektronische Steuerausrüstung kann auf viele Arten innerhalb des Rahmens der nachfolgenden Patentansprüche variiert werden. Die gezeigte Ausrüstung erfordert wenig Platz, und alle Komponenten mit Ausnahme des Magneten 4 und der stroiöabtastenden Organe 9 und 10 können zweckmäßigerweise auf einem Üblichen Leitungsplan mit Flachstiftkontakten montiert werden.

Bei einem Schalter oben beschriebener Art ist bei durchgeführten Proben eine Auslösezeit von nur ca, 1 ms gemessen

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worden. Dabei betrug die Haltekraft des Magneten 4 ca 1000 N, die Belastung von der Feder 6 ca 500 N, die Kapazität des Kondensators 7/100/uF und die Betriebsspannung 110 V Gleichstrom, Die genannte Auslösezeit ist wesentlich kurzer als die entsprechende Zeit bei den üblichen Gleichstromschnellschaltern.

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Claims (7)

Patentansprüche ;

1.1 Elektrisches Schaltgerät mit Schnellauslösung, vorzugsweise Gleichstromschnellschalter, dessen beweglicher Kontakt in öffnender Richtung ständig von einer Feder beeinflußt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Kontakt (2) so angeordnet ist, daß er mittels einer A&slösespule (5) mit einem Haltemagnet (4), dessen Haltekraft auf einem Permanentmagneten beruht, in eingeschalteter Lage gehalten ist, wobei die Auslösespule (5) in an sich bekannter Weise über ein elektronisches und von mit der Hauptstrombahn (1) magnetisch verbundenen stromniveau- und eventuell stromderivatenabtastenden Organen (10 bzw. 9) gesteuertes Schaltorgan (8) an einem Energiespeicher (7) angeschlossen ist.

2. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (7) ein Kondensator ist.

3. Schaltgerät nach,Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Schaltorgan (8) ein Thyristor ist.

4. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stromniveauabtastende Organ (10) aus einem die Hauptstrombahn (1) umschließenden Eisenkern (14) mit Luftspalt besteht, wobei in oder in der Nähe des Luftspaltes ein von einem magnetischen Feld beeinflußbares Element (15)-. angeordnet ist, das im Steuerkreis für das elektronische Schaltorgan (8) eingeschaltet 1st.

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5. Schaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldbeeinflußte Element (15) ein Zungenelement ist.

6. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dai3 das stromderivatenabtastende Organ (9) aus einem mit einem Widerstand (19) belasteten Stromtransformator besteht, der so bemessen ist, daß in dem aktuellen Meßbereich keine Sättigung des Transformatorkernes eintritt.

7. Schaltgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (11) des Stromtransformators (9) über eine Gleichrichterbrücke (20) am Belastungswiderstand (19) angeschlossen ist.