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Elektronische Schaltvorrichtung - Dokument DE3520904C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3520904C2 04.04.1996
Titel Elektronische Schaltvorrichtung
Anmelder Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München, DE
Erfinder Gassong, Siegfried, 8520 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 11.06.1985
DE-Aktenzeichen 3520904
Offenlegungstag 11.12.1986
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.04.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.04.1996
IPC-Hauptklasse H02H 7/22
IPC-Nebenklasse H02H 11/00   H01H 9/54   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltvorrichtung für einem Leistungsschalter, der einen zu schaltenden Netzzweig mit einer Sammelschiene eines Netzes verbindet, mit einem Meßschalter zur Überbrückung des Leistungsschalters, der in Abhängigkeit von vorbestimmten Grenzwerten ein Steuersignal zur Verriegelung oder Freigabe des Leistungsschalters erzeugt (DE 25 39 938 A1).

Unzulässige Betriebszustände von Netzzweigen werden in der Regel erst dann erkannt, wenn die elektrische Verbindung zwischen der Sammelschiene des Netzes und dem Netzzweig bereits hergestellt ist. Im Kurzschluß- oder Überlastfall sorgen dann in der Regel Sicherungseinrichtungen dafür, daß der betreffende Netzzweig von der Sammelschiene getrennt wird. Dies erfordert jedoch aufwendige Schalterkonstruktionen mit hohem Einschaltvermögen, da beispielsweise im Kurzschlußfall kurzfristig sehr hohe Ströme über die Kontaktelektroden fließen können. Außerdem können bei derartigen Sicherungseinrichtungen Folgeschäden in den im Netzzweig enthaltenen elektrischen Anlagen nicht ausgeschlossen werden.

In der DE 25 39 938 A1 wird eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Einschaltung und zur Überwachung eines Laststromkreises beschrieben, bei der eine Stromüberwachungsschaltung im Steuerweg des steuerbaren Lastschalters eingefügt ist derart, daß mit einem Prüfstrom die Last überwacht und die Einschaltung des steuerbaren Lastschalters nur dann veranlaßt wird, wenn der Prüfstrom zwischen einem vorgeschriebenen Mindestwert und/oder einem vorgeschriebenen Höchstwert liegt. Weiterhin ist aus "Proceedings of the Symposium on Computer Applications in Large Scale Power Systems", Neu Delhi, India, 16.-19. August 1979, S. 316-320, die Anwendung von Mikroprozessoren im Rahmen von Überwachungsschaltungen bei elektrischen Netzwerken bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Schaltvorrichtung anzugeben, bei der die unmittelbare Verbindung von fehlerbehafteten, mit Wechselstrom betriebenen Netzzweigen mit der Sammelschiene des Netzes verhindert wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

In vorteilhafter Realisierung enthält die Schaltvorrichtung einen Mikrocomputer und einen Analog-Digital-Wandler. Die Bestimmung des Phasenwinkels φ und des Betrages |Z| der komplexen Impedanz Z des zu schaltenden Netzzweiges kann vorzugsweise auch im Mikrocomputer selbst vorgenommen werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 eine elektronische Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist und deren

Fig. 2 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeigt.

In der Anordnung nach Fig. 1 ist ein Netzzweig 6 über einen geöffneten Leistungsschalter 4 mit einer Sammelschiene 8 verbunden. Der Netzzweig 6 ist außerdem über einen geschlossenen Meßschalter 10 mit einer ersten Vorrichtung 12 verbunden, die ebenfalls an die Sammelschiene 8 angeschlossen ist. Der ersten Vorrichtung 12 ist eine zweite Vorrichtung 14 zugeordnet, welche die Stellung der Schalter 4 und 10 steuert. Diese beiden Vorrichtungen 12 und 14 und die Schalter 4 und 10 bilden eine elektronische Schaltvorrichtung 2. Bei geöffnetem Leistungsschalter 4 ist der Meßschalter 10 geschlossen und die erste Vorrichtung 12 führt eine fortwährende Messung der Impedanz des Netzzweiges 6 durch und leitet die Meßergebnisse an die ebenfalls mit der Sammelschiene 8 verbundene Vorrichtung 14 weiter, die einen Vergleich der gemessenen Impedanzwerte mit zulässigen Grenzwerten für die Impedanz Z des Netzzweiges 6 durchführt. Vom Ergebnis dieses Vergleiches hängt es ab, ob der Leistungsschalter 4 freigegeben oder gesperrt wird. Erhält die Schaltvorrichtung 2 von außen beispielsweise durch Schließen eines dritten Schalters 146 einen Schaltbefehl und der Netzzweig 6 befindet sich in einem für den Betrieb zulässigen Zustand, so öffnet die zweite Vorrichtung 14 über die Steuerleitung 16 zunächst den Meßschalter 10 und schließt danach den Leistungsschalter 4. Liegt der Schaltbefehl von außen dann an, wenn sich der Netzzweig 6 in einem für den Betrieb unzulässigen Zustand befindet, so wird der Leistungsschalter 4 gesperrt und die Verbindung des Netzzweiges 6 zur Sammelschiene 8 des Netzes bleibt unterbrochen. Der Betriebszustand der Schaltvorrichtung 2 kann dem Benutzer zusätzlich mittels einer optischen oder akustischen Vorrichtung 148 angezeigt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die zweite Vorrichtung 14 einen Mikrocomputer 144. Der Betrag und der Winkel der Impedanz des Netzzweiges 6 stehen am Ausgang der ersten Vorrichtung beispielsweise als analoge Spannungen zur Verfügung und werden einem Analog-Digital-Wandler 142 der zweiten Vorrichtung 14 zugeführt, welcher die digitalisierten Daten dem Mikrocomputer 144 weiterleitet. Im Mikrocomputer 144 sind die zulässigen Betriebsdaten des Netzzweiges 6 beispielsweise in einem PROM gespeichert.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 wird von einem Mikrocomputer 32 die Bestimmung des Phasenwinkels φ und des Betrages |Z| der komplexen Impedanz Z durchgeführt. Ein Meßzweig 20 ist über den Meßschalter 10 mit dem Netzzweig 6 verbunden und enthält eine Wechselspannungsquelle 22, einen Widerstand R und Spannungsmesser 24 und 26. Bei geschlossenem Schalter 10 fließt über den Widerstand R ein Prüfstrom i durch den Netzzweig 6 und erzeugt einen Spannungsabfall der mittels des Spannungsmessers 24 gemessen wird. Der Spannungsmesser 26 ist über den Schalter 10 mit den Eingängen des Netzzweiges 6 verbunden. Die Spannung der Wechselspannungsquelle 22 und der Widerstand R sind so bemessen, daß der Prüfstrom i selbst bei einem inneren Kurzschluß des Netzzweiges 6 so gering bleibt, daß weitere Schäden im Netzzweig nicht möglich sind. Die an den Ausgängen 240 und 260 der ersten Vorrichtung 20 anstehenden analogen Wechselspannungen sind somit proportional zum Strom i, der durch den Netzzweig 6 fließt bzw. zur Spannung u, die am Netzzweig 6 anliegt. Die Ausgänge 240 und 260 sind mit einem Analog-Digital- Wandler 30 verbunden, der die analogen Meßwerte jeweils mit einer vorbestimmten Taktrate digitalisiert und dem Mikrocomputer 32 weiterleitet. Im Mikrocomputer 32 werden die während wenigstens einer Periode der Wechselspannungsquelle 22 vom Analog-Digital-Wandler 30 bereitgestellten Digitalwerte für den Strom i und die Spannung u in vorbestimmte Speicherplätze eines adressierbaren Schreib- und Lesespeichers derart eingelesen, daß eine eindeutige Beziehung zwischen den Adressen jeweils zweier Speicherplätze und der Zeitdifferenz existiert, die zwischen den Zeitpunkten der Analog-Digital-Wandlung der diesen Speicherplätzen zugeordneten Speicherinhalten besteht. Somit kann im Mikrocomputer 32 mittels einfacher Algorithmen sowohl der Betrag |Z| als auch der Phasenwinkel φ der komplexen Impedanz Z ermittelt werden. Werden beispielsweise die Adressen der Speicherplätze für die digitalisierten Werte für den Strom i und die Spannung u ermittelt, bei denen jeweils der Speicherinhalt der jeweils zeitlich nächstfolgenden Adressen gegenüber dem vorherigen Wert einen vorbestimmten Vorzeichenwechsel, beispielsweise von Plus nach Minus, aufweist, so ist die zu ihnen gehörende Zeitdifferenz Δt ebenfalls bekannt. Ist der Wert für die Frequenz f der Wechselspannungsquelle 22 bekannt, so kann der Phasenwinkel φ über die Beziehung

d = 360°·Δt·f

ermittelt werden. Um eine Winkelauflösung von wenigstens 1° zu erhalten, muß die Taktrate mit der jeweils die analogen Meßwerte für den Strom i und die Spannung u digitalisiert werden, wenigstens das 360-fache der Frequenz f betragen. Der Betrag |Z| der Impedanz Z kann dadurch ermittelt werden, daß der Quotient aus den jeweils maximalen Werten der Speicherinhalte für die Spannung u und den Strom i gebildet wird. Nach Vergleich mit den in einem PROM gespeicherten zulässigen Betriebsdaten und bei Vorliegen eines erlaubten Betriebszustandes erfolgt dann die Freigabe des Leistungsschalters 4.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektronische Schaltvorrichtung für einen Leistungsschalter, der einen zu schaltenden Netzzweig mit einer Sammelschiene eines Netzes verbindet, mit einem Meßschalter zur Überbrückung des Leistungsschalters, der in Abhängigkeit von vorbestimmten Grenzwerten ein Steuersignal zur Verriegelung oder Freigabe des Leistungsschalters erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß über den Meßschalter (10), der bei offenem Leistungsschalter (4) die Wechselspannung führende Sammelschiene (8) mit dem Netzzweig (6) verbindet, in einer ersten Vorrichtung (12) die komplexe Impedanz (Z) des Netzzweiges (6) mit Betrag (|Z|) und Phasenwinkel (α) gemessen und daß in einer zweiten Vorrichtung (14) die gemessene Impedanz mit der für den Netzzweig (6) zulässigen Impedanz (Z) zur Erzeugung des Steuersignals für den Leistungsschalter (4) verglichen wird.
  2. 2. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorrichtung zur Impedanzmessung ein Meßzweig (20) vorhanden ist, der bei offenem Leistungsschalter (4) und geschlossenem Meßschalter (10) den zu schaltenden Meßzweig mit einer Wechselspannungsquelle (22) verbindet und an dessen Ausgängen (240 bis 260) analoge Wechselspannungen anlegt, die proportional sind zum Strom (i), der durch den Netzzweig (6) fließt, bzw. zur Spannung (u), die am Netzzweig (6) anliegt.
  3. 3. Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (14) einen Mikrocomputer (32, 144) enthält, dem ein Analog-Digital-Wandler (30, 142) vorgeschaltet ist.
  4. 4. Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine akustische oder optische Vorrichtung (148) enthält, die den Betriebszustand der Schaltvorrichtung (2) anzeigt.






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