METHOD AND CIRCUIT FOR DETECTING AND BREAKING DISTURBING ELECTRIC ARCS

Abstract: 1. Method for detecting and breaking disturbing electric arcs in bus-bar systems, characterized by - continually detecting the bus-bar voltage and comparing it with experimentally found critical voltage values which are determined by the system-inherent arc length and which predetermine a corresponding voltage range, - continually detecting the bus-bar current and comparing it with an experimentally found predetermined critical current value which is determined by the system-inherent short-circuiting power, - continually detecting the harmonic content of the bus-bar voltage and comparing the same with a predetermined critical value, and - breaking when the bus-bar current and the amplitude of the harmonics of the bus-bar voltage are simultaneously in excess of the predetermined critical values and the bus-bar voltage is within the predetermined voltage range.

Description: Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erfassung und Abschaltung von Störlichtbögen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung und zur Abschaltung von Störlichtbögen in elektrotechnischen Anlagen; sie bezieht sich ferner auf eine Schaltungsanordnung zur Erfassung und gegebenenfalls zur Abschaltung von Störlichtbögen in solchen Anlagen. Es ist bekannt, zur Erfassung und Abschaltung eines Störlichtbogens in elektrotechnischen Anlagen die mit dem Lichtbogen verbundene Lichtwirkung oder die dabei entstehende Druckwelle zur Signalgabe zu nutzen, Für die Ausnutzung der Lichtwirkung sind Lösungen bekannt, bei denen optoelektronische Bauelemente eingesetzt sind, die vor Inbetriebnahme der Anlage auf die dem Störlichtbogen eigene Lichtwirkungsgrösse eingestellt werden. Nach Entstehen eines Störlichtbogens erfolgt mittels Fotodioden oder Fototransistoren eine Signalgabe an eine Schutzeinrichtung, die innerhalb kurzer Zeit die Abschaltung der Anlage bewirkt (DE-OS 2 216 238). Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen in erster Linie darin, dass zur Ausrüstung einer elektrotechnischen Anlage eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen erforderlich ist, da jedes Schaltfeld der Anlage gesondert überwacht werden muss. Zum anderen ist darüberhinaus auf Grund der hohen Pak kungsdichte und der starken Verschachtelung der Schalt felder der Einsatz mehrerer Fotodioden bzw, Fototransistoren notwendig, die möglichst-weit an die Sammelschienen herangeführt werden müssen. Die dadurch bedingten grossen Leitungslängen wirken sich nicht nur hinsichtlich des Materialverbrauches nachteilig aus, sie können auch durch das Einwirken elektromagnetischer Felder zu Störungen an den optoelektronischen Bauelementen führen. Eine weitere wesentliche Beeinträchtigung der Funk tionseicherheit entsteht dadurch, dass die Ansprechschwelle der optoelektronischen Bauelemente relativ hoch eingestellt werden muss, um auftretende unvermeidbare Schaltlichtbögen nicht als Störlichtbögen zu erfassen und Fehlabschaltungen zu vermeiden. Dies hat jedoch zur Folge. dass kleine Störlichtbögen, die auf Grund ihrer geringen Lichtwirkung vom optoelektronischen Bauelement nicht erfasst werden, sich uneingeschränkt bis zum Erreichen der Ansprechschwelle vergrössern können, Dadurch erfolgt eine wesentliche Verzögerung der Abschaltzeit, so dass es zu Zerstörungen von Anlagenteilen kommen kann. Letztendlich beeinträchtigt auch der Verschmutzungsgrad der optischen Elemente die Funktionssicherheit. Es sind weiterhin Lösungen bekannt geworden. die die mit dem Störlichtbogen verbundene Druckwelle zur Signalgabe nutzen, derart, dass mittels Druckentlastungsklappen, die in den Gehäusewandungen der Anlagenteile vorgesehen sind und sich bei Vorliegen der Druckwelle öffnen, Schalter betätigt werden, die ein Abschalten der Anlage bewirken. Die Nachteile dieser Lösungen sind einmal in der Zeitverzögerung zwischen Auftreten des Störlichtbogens und Ausbreiten der Druckwelle begründet, was eine Verlängerung der Abschaltzeit mit sich bringt. Zum anderen setzt eine Kopplung mit mechanisch beweglichen Teilen die Zuverlässigkeit der Signalübertragung herab Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist. löst die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem andere und geeignetere physikalische Grössen eines Störlichtbogens zur sicheren Erfassung und Erreichung kürzester Abschaltzeiten technisch genutzt werden. Sie löst ferner die Aufgabe, eine Schaltung anzugeben, mit der das Verfahren gemäss dem Anspruch 1 durchführbar ist. Mittels der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 3 wird zusätzlich noch die Aufgabe gelöst, den Ort des Störlichtbogens genau zu lokalisieren, Auf der Grundlage konstruktiver Parameter der elektrotechnischen Anlage, wie Abstand der Sammelschienen zueinander bzw. wie Abstand der Sammelschienen zum Ge häuse, werden also zunächst Lichtbogenspannungsgrössen, die von ihrer Lngeabhängig sind, experimentell ermittelt und als Ansprechschwellen voreingestellt, Als weiteres Kriterium für das Erfassen eines Störlichtbogens wird der Frequenzgehalt dieser Spannungen hinsichtlich der einer Lichtbogenspannung eigenen Oberwelligkeit ausgewertet. Ein drittes Kriterium bildet das Vorliegen eines Lichtbogenstromes, der durch die Kurzschlussleistung der Anlage bestimmt wird. Durch logische UND-Verknüpfung dieser Signale wird das Ausgangssignal zur Abschaltung gebildet. Zur näheren Ausgestaltung des Verfahrens wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Sammelschienenspannung mittels Spannungswandler und Gleichrichter in eine äquivalente Gleichspannung umgeformt und durch ein Filter von den durch die Gleichrichtung hervorgerufenen Oberwellen befreit wird. Die am Ausgang dieses Filters anliegende Spannung wird einerseits auf ein zweites Filter geführt, so dass nur die Oberwellen. deren Frequenz oberhalb der durch Gleichrichtung hervorgerufenen Oberwellen liegt, verstärkt und auf einen Trigger wei tergeleitet werden. der beim Oberschreiten einer bestimmten Amplitude der Oberwellen ein Signal auf das UND-Glied freigibt. Zur Auswertung der Spannungsgrösse wird andererseits die am Ausgang des ersten Filters anliegende Spannung auf einen Diskriminator geführt in welchem ein Vergleich der anliegenden Spannung mit dem für einen möglichen Störlichtbogen experimentell ermittelten und voreingestellten Spannungsbereich durchgeführt wird, wobei ein Signal nur dann an das UND-Glied weitergeleitet wird, wenn sich die anliegende Spannung im Bereich dieser voreingestellten Spannungsgrössen befindet* Analog zum Vergleich der Spannungsgrösse erfolgt ein Stromvergleich, wobei die Sammelschienenströme mittels Stromwandler und einem weiteren Gleichrichter in äquivalente Gleichspannungen umgewandelt werden und durch einen Schwellwertschalter dahingehend ausgewertet werden, dass bei Erreichen bzw. Überschreiten einer. ausgehend von der Kurzschlussleistung der Anlage errechneten, dem Lichtbogenstrom entsprechenden Grösse ein Signal freigegeben und zum einen auf das UND-Glied weitergeleitet wird. Zum anderen wird dieses Signal bei Oberwachung einzelner Anlagenteile zur selektiven Abschaltung genutzt. derart, dass es über einen Negator, der dieser Überwachungseinheit unmittelba-r vorgeschalteten Oberwachungseinheit zur Freigabe oder Blockierung zugeführt wird, so dass am Ausgang des UND Gliedes einer jeden Oberwachungseinheit ein Signal zur Schutzauslösung in dem betreffenden Schalt feld nur dann ansteht, wenn gleichzeitig die Signale der Spannungsauswertung, das Signal der Stromauswertung und das negierte Signal der Stromauswertung der nachgeschalteten Oberwachungseinheit L-Signale sind, die einen Lichtbogen im betreffenden Anlagenteil signalisieren. Dieses Verfahren bzw. diese Schaltungsanordnung hat im Vergleich zu den bekannten technischen Lösungen wesentliche Vorteile. Neben der Verringerung des Aufwandes gegenüber den optoelektronischen Überwachungseinheiten wird eine weitgehende Verbesserung der Funktionssicherheit erreicht die Fehlabschaltungen bzw. Zerstörungen von Anlagen teilen und Gefährdung des Bedienungspersonals nahezu ausschliesst. Es ist zwar bereits durcdie DE-OS 2 559 100 sowie die DE-OS 2 849 828 bekannte die im Zusammenhang mit der Entstehung von Lichtbögen auftretenden hochfrequenten Schwingungen zur Indikation und Auswertung heranzuziehen. Diese Lösungen beziehen sich aber bezüglich ihrer Anwendung auf elektrische Freileitungen bzw Fahrleitungen und ihre Armaturen. Sie sind auch für den Einsatz in elektrischen Anlagen (Schaltschränken) unzureichend, weil sie Rückwirkungen beim Betrieb von Thyristoren als Störlichtbögen interpretieren würden, die bei ungestörtem Betrieb zur Abschaltung der Anlage führen. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild für ein Verfahren zum Erfassen von Störlichtbögen Figur 2 eine Schaltungsanordnung für den gleichen Zweck Figur 3 bis 5 Schaubilder zu Signalverläufen nach Figur2 Es wird davon ausgegangen, dass konstruletive Parameter, wie Abstand der Sammelschienen zueinander bzw. Abstand der Sammelschienen zum Gehäuse, Grundlage für experimentell zu ermittelnde Lichtbogenspannungsgrössen sind, die von der Länge des Lichtbogens abhängig sind. Die so ermittelten Spannungsgrössen werden in entsprechenden Bauelementen als Ansprechschwellen voreingestellt und ständig mit den Momentanwerten der Sammelschienen spannung verglichen, Parallel dazu werden die Frequenzen der Sammelschienenspannung über geeignete Bauelemente hinsichtlich einer der Lichtbogenspannung eigenen Oberwelligkeit überwacht, Des weiteren erfolgt eine Oberwachung des Sammelschienenstromes in der Art, dass auf Grund der Kurzschlussleistung der Anlage ermittelte Grössen eines möglichen Lichtbogenstromes als Ansprechschwelle für die parallel zu den Spannungsvergleichen vorgenommenen Stromvergleiche dienen. Ober eine logische UND-Verknüpfung dieser Signale wird das Ausgangssignal zur Abschaltung gebildet. Werden bei elektrotechnischen Anlagen einzelne Anlagenteile über wacht, so ist nach den Leistungsschaltern für jeden der Anlagenteile jeweils eine erfindungsgemässe Überwachungseinheit vorgesehen. Das Verfahren soll am Beispiel einer Oberwachungseinheit dargelegt werden. Wie in Figur 1 dargestellt, ist die über Spannungswand ler 1 und Gleichrichter 3 in eine Gleichspannung umgeformte Sammelachienenspannung R-S-T auf ein Filter 4 geschaltet, das die durch die Gleichrichtung hervorgerufenen Oberwellen dämpft. Das am Ausgang des Filters 4 anliegende Signal U1 wird zur Überwachung der Frequenz auf ein weiteres Filter 6 geführt. das nur die Oberwellen verstärkt und weiterleitet, deren Frequenzen oberhalb der durch Gleichrichtung entstehenden Oberwellen liegen, Dieses Ausgangssignal U5 des Filters 6 wird auf einen Schwellwertschalter 7 geführt. der beim Oberschreiten einer bestimmten Amplitude der Oberwellen ein Signal U6 auf das UND-Glied 10 freigibt. Zur Überwachung der Spannungsgrösse wird das Signal U1 auf einen Diskriminator 8 geleitet, der beim Vorliegen einer Spannungsgrösse im voreingestellten, experimentell ermitte1ten Spannungsbereich ein Signal U4 auf das UND-Glied 10 gibt, Analog zur Oberwachung der Spannungs grösse werden auch die Sammelschienenströme IR und/oder Is und/oder IT über Wandler 2 und'Gleichrichter 5 in ein äquivalentes Gleichspannungssignal U7 umgeformt Mit einem Schwellwertschalter 9 wird die Grösse dahingehend überwacht, dass bei Erreichen oder Überschreiten einer durch die Kurzschlussleistung der Anlage be stimmbaren, der Stromstärke eines Störlichtbogens entsprechenden, einstellbaren äquivalenten Spannungsgrösse ein Signal U8 auf das UND-Glied 10 weitergeleitet wird. Parallel dazu ist das Signal U8 auf einen Negator 11 geschaltet. dessen Ausgang TOR (n) zur Freigabe oder Blockierung der jeweils vorgeschalteten Oberwachungseinheit dient, so dass ein selektives Abschalten von Anlagenteilen gewährleistet ist, Bei gleichzeitigem Vorliegen der Signale U4, U6 und U8 und des durch die nachgeschalteten Oberwachungseinrichtungen zur selektiven Abschaltung gebildeten Signals TOR (n-1) wird durch das UND-Glied 10 ein Signal Aus gebildet, das zur Abschaltung des entsprechenden Anlagenteils genutzt wird. In Figur 2 ist eine jedem Leistungsschalter zugeordnete Schaltungsanordnung dargestellt. An die Sammelschienen R, S, T sind zwei Spannungswandler 1 angeschlossen, deren sekundärseitige Klemmen auf einen Sechspulsgleichrichter 3, bestehend aus den Dioden D1 bis D6, geführt sind. An das Katodentripel Dl, D3, D5 des Sechspulsgleichrichters 3 ist ein Filter 4, bestehend aus der Induktivität L und einem Kondensator 01, das als Schwingkreis ausgebildet ist, angeschlossen, wobei dieser Schwingkreis über den Widerstand R1 auf den Mp der Schaltung geschaltet ist, der vom Anodentripel D2, D4, D6 des Sechspulsgleichrichters 3 gebildet wird, An den Widerstand Rl wird das Filter 6 geschaltet, das mit Widerständen Rl - R7 den Transistoren T1, T2 und den Kondensatoren C2 - C5 als Hochpass ausgebildet ist. Der Ausgang des Filters 6 ist über ein R-C-Glied R8, C 6 und eine Diode D7 auf einen Schwellwertschalter 7 geschaltet, der die Auswertung der Amplitude der Oberwellen vornimmt. Weiterhin werden an den Widerstand R1 zwei Trigger B1, B2 geschaltet, die einen unterschiedlichen Ansprechwert besitzen, wobei der Trigger B1 mit dem oberen Ansprechwert eine Ausschaltverzögerung tA und der Trigger B2 mit dem unteren Ansprechwert eine Einschaltverzögerung tE besitzt, Die Ausgangssignale U2 und U3 der Trigger B1 und B2 werden über ein NAND Glied B3 und UND-Glied B4 zu einem Ausgangssignal U4 logisch verknüpft. Die Ausgangssignale U4 und U6 des UND-Gliedes B4 und des Schwellwertschalters 7 werden auf ein UND-Glied 10 geführt. Zur übersichtlichen Darstellung des Ausführungsbeispieles wird der Stromvergleich nur am Beispiel einer Sam melschiene dargestellt. Der Sammelschienenstrom wird über einen Stromwandler 2, der auf eine Bürde R9 geschaltet ist, und über einen Uberspannungsschutz (R10, D8 bis D11) auf einen Gleichrichter 5. bestehend aus den Dioden D12 bis D15, geführt. Das Ausgangssignal U7 des Gleichrichters 5 wird auf den Schwellwertschalter 9, der eine Ausschaltverzögerung tA besitzt, geschaltet, der bei Erreichen bzw. Oberschreiten der. ausgehend von der Kurzschlussleistung der Anlage ermittelten. dem Lichtbogenstrom entsprechenden voreingestellten Grössen. ein Ausgangssignal U8 bildet, das einmal-auf das UND-Glied 10 und zum anderen auf ein NOR-Glied 11 geführt ist. Durch das NOR Glied 11 wird das Selektivitätssignal TOR (n+1) für die vorgeordnete Oberwachungseinheit gebildet. Auf das UND-Glied 10 wird ein Selektivitätssignal TOR (n-i) geschaltet, das vom entsprechenden NOR-Glied der nachgeschalteten Oberwachungseinheit gebildet wird, Das Ausgangssignal AUS des UND-Gliedes 10 wird zur Schutzauslösung benutzt. In Figur 3 bis 5 sind ausge wählte Signalverläufe einzelner Baugruppen dargestellt,

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Erfassung und Abschaltung von Stör lichtbögen in elektrotechnischen Anlagen. dadurch gekennzeichnet, dass ständig Momentanwerte von Sam melachienenspannung und -strom mit experimentell ermittelten und voreingestellten Spannungs- bzw. Stromgrössen, welche durch die anlagenbedingte Lichtbogenlänge bzw. Kurzschlussleistung bestimmt sind, verglichen werden und dass ferner der Fre quenzgehalt dieser Spannungen überwacht wird, und dass die Vergleichs- und Oberwachungssignale elek tronisch ausgewertet werden, derart, dass bei Vor liegen eines Störlichtbogens die Abschaltung be wirkt wird. 2. Schaltungsanordnung zur Erfassung von Störlicht bögen in elektrotechnischen Anlagen, dadurch ge kennzeichnet, dass eine über Spannungswandler (1) und Gleichrichter (3) in eine Gleichspannung um geformte Sammelschienenspannung (R, S, T) zur Dämpfung auf ein Filter (4) geschaltet ist, des sen Ausgangssignal (U1) einerseits über ein wei teres als Hochpass ausgebildetes Filter (6) und einen in Reihe liegenden Schwellwertschalter (7) auf ein UND-Glied (10) geführt ist, und anderer seits über einen die Spannungsgrösse überwachen den voreingestellten Diskriminator (8) ebenfalls auf das UND-Glied (10) geschaltet ist, und dass der Sammelechienenstrom (IR und/oder IS und/oder IT) über Stromwandler (2) und einen in Reihe lie genden Gleichrichter (5) auf einen voreingestellten Schwellwertschalter (9) geführt ist, dessen Aus gangssignal (U8) ebenfalls am UND-Glied (10) an liegt. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 zur Abschal tung von Störlichtbögen, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Schwellwertschalters (9), der von einem, den Sammelschienenstrom re präsentierenden Signal beaufschlagt ist, neben dem UND-Glied (10) noch auf einem Negator (11) geschaltet ist, dessen Ausgangssignal TOR (n) einer analog aufgebauten vorgeschalteten Ober wachungseinheit zugeführt ist, und dass ein Sig nal TOR (n-1) der nachgeschalteten Ober wachungseinheiten ebenfalls auf das UND-Glied (10) gelegt ist, dessen Ausgangssignal (AUS) zur Schutzauslösung dient.

Inventors: KINDLER, PETER, SCHULZ, REINHOLD, WIESSNER, ROLF
Applicants: VEB STARKSTROM-ANLAGENBAU LEIPZIG-HALLE
Application year: 1981
Main classification: H02H3
IPC codes: H02H3, H02H1