METHOD FOR THE SURVEILLANCE OF CONDUCTOR CURRENTS, AND ARRANGEMENT FOR CARRYING OUT SAID METHOD

Abstract: 1. A method of monitoring conductor currents on a difference current with the following features : 1 the pre-magnetization of a magnetic core (12) is changed by the difference current ; 1.1 the magnetic core (12) has an at least approximately rectangular magnetization loop with a specific coercive field strenght (Hc ) ; 1.2 the magnetic core (12) is magnetically coupled to a write winding (8) and a read winding (9) ; characterised by the following features : 2 test pulses (P1 and P3 ) separated in time are fed to the write winding (8) with re-magnetization pulses (P2 and P4 ), superimposed upon said test pulses, producing field strenghts (HP1 , HU2 , HP3 and HU4 ) in the magnetic core ; 2.1 in terms of value the field strengths (HP1 and HP3 ) produced by the test pulses (P1 and P3 ) correspond to the difference between the coercive field strength (Hc ) and the amount of the field strength (H delta N ) produced by the maximum permissible fault current ; 2.2 in terms of value the field strengths (HU2 and HU4 ) produced by the superimposition of test pulses (P1 and P3 ) and re-magnetization pulses (P2 and P4 ) are at least twice as great as the coercive field strength (Hc ) ; 2.3 a test pulse (P1 or P3 ) and the re-magnetization pulse (P2 or P4 ) superimposed upon the latter, respectively produce field strengths with the same sign in the magnetic core (12), where in each new sequence of test and re-magnetization pulses the sign is changed ; 3 the field strength (H DELTA N ) produced by the maximum permissible difference current is smaller than the coercive field strength (Hc ) in terms of value ; 4 the sum of one of the field strengths (HP1 , HU2 , HP3 and HU4 ) and the field strength produced by the difference current induces a read signal (U9 ) in the read winding (9) ; 5 a monitoring signal (U38 ) is derived if the read signal (U9 ) falls below a predetermined limiting value (US ) in terms of value during at least one of the re-magnetization pulses (P2 and P4 ).

Description: Verfahren zur Uberwachung von Leiterströmen çnd Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Uber- wachung von Leiterströmen auf einen Fehlerstrom, der die Vormagnetisierung eines Magnetkreises-ändeTt. Elektrische Anlagen werden bekanntlich durch Fehlerstrom Schutzschaltungen überwacht, bei denen die Leiter des zu schützenden Stromkreises durch den Ringkern eines Magnetkreises hindurchgeführt sind und als Primärwicklung dienen. Die Sekundärwicklung ist im allgemeinen mit dem Auslöser des Schalters der Anlage verbunden. Solche Fehlerstrom-Schutzschalter arbeiten nach dem Prinzip eines Differenztransformators. Im ungestörten Betrieb ist die Summe der Primärströme Null. Im Falle eines Isolationsfehlers fliesst ein Fehlerstrom zur Erde zum Sternpunkt des Transformators zurück. Bei periodischen Differenzströmen genügend hoher Amplitude im Primärstromkreis wird über den aus einer hochpermeablen Legierung bestehenden Ringkern soviel Energie in den Sekundärkreis übertragen, dass ein im Sekundärkreis angeordneter Auslöser anspricht, der im allgemeinen auf einen Leistungsschalter des Stromkreises einwirkt. Wegen der Zunahme nichtlinearer Verbraucher in den Stromversorgungsnetzen können im Störungsfall auch Gleichströme auftreten. Solche nichtperiodischen Differenzströme können mit einer bekannten Anordnung erfasst werden, bei der die Sekundärwicklung mit digitalen Pulsfolgen gespeist wird. Der Magnetkern wird durch diese Pulsfolgen jeweils schrittweise ummagnetisiert. Durch einen Fehlerstrom erhält der Magnetkern eine Vormagnetisierung, die eine Unsymmetrie in den zur Ummagnetisierung erforderlichen Pulsfolgen bewirkt, aus der das Ausgangssignal abgeleitet wird (DE-OS 29 07 171). In den bekannten Anordnungen sind Magnetkreise vorgesehen, die einen Ringkern aus einer hochpermeablen Legierung mit flacher magnetischer Kennlinie enthalten. Solche Kerne sind verhältnismässig teuer. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung von Leiterströmen anzugeben, bei dem der Magnetkreis einen billigen Ferritkern enthalten kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass im Magnetkreis mit wenigstens annähernd rechteckiger Magnetisierungsschleife und vorbestimmter Koerzitivfeldstärke durch Überlagerung eines Prüfpulses und eines Uüiinagnetisierungspulses mit einer vorbestimmten Stromstärke eine vorbestimmte Feldstärke erzeugt wird, und dass die von der Summe dieser Feldstärke und einer durch einen Differenzstrom erzeugten Feldstärke induzierten Spannung gemessen und ein Uberwachungssignal abgeleitet wird, wenn diese Spannung innerhalb eines Maskenpulses einen vorbestimmten Grenzwert Überschreitet. In einer vorteilhaften Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist der Magnetkern mit einer Schreibwicklung und einer Lesewicklung versehen. Ein Taktgenerator liefert Schreibsignale für die Schreibwicklung und eine Koinzidenzschaltung, die eine logische Verknüpfung der Schreib- und der Lesesignale herstellt. In dieser Ausführungsform kann der Magnetkreis sowohl einen Ringbandkern als auch einen Ferritkern enthalten. Das Kernmaterial mit rechteckiger Kennlinie wird so ausgewählt, dass die Koerzitivfeldstärke den Messbereich für den Fehlerstrom bestimmt. Vorzugsweise kann die Koerzitivfeldstärke etwa doppelt so gross wie die durch einen noch zulässigen Nennfehlerstrom erzeugte Feldstärke gewählt werden. Vom Taktgenerator werden Impulse mit einem vorbestimmten Feldstärkeverlauf auf die Schreibwicklung gegeben. Liegt bereits eine Vormagnetisierung des Kerns durch einen Differenzstrom vor, der über einem vorbestimmten Grenzwert liegt, so wird durch den Schreibimpuls die Koerzitivfeldstärke überschritten und der Magnetkern ummagnetisiert, Dieser Vorgang induziert in der Lesewicklung eine deutlich grössere Spannung als im Fall fehlender Vormagnetisierung. Die Höhe des Ausgangsimpulses an der Lesewicklung wird somit als Kriterium für das Vorliegen eines unzulässig hohen Fehlerstromes herangezogen. Um auch Vormagnetisierungen mit umgekehrtem Vorzeichen erfassen zu können, wird der Ringkern durch Impulse mit ausreichender Feldstärke voll ummagnetisiert. Das Ausgangssignal der Lesewicklung wird durch Komparatoren digitalisiert. Damit erhält man eine digitale Funktion der gesamten Anordnung und einen entsprechend einfachen Hardware-Aufbau, der leicht integriert werden kann. Eine derartige digitale Elektronik erfordert keine eng tolerierten Bauteile und aüch keinerlei'Abgleich- arbeiten. Die Ansprechzeiten der Überwachungsanordnung können auf etwa 1 bis 2 ms begrenzt werden. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung als Wirkschaltplan schematisch veranschaulicht ist. Figur 2 zeigt die Magnetisie rungskennlinie des Magnetkerns und in den Figuren 3 bis 6 sind die Schreibimpulse Jeweils in einem Diagramm veranschaulicht. Figur 7 zeigt die Wirkung der Schreibimpulse im Magnetkern und in den Figuren 8 bis 10 sind die Spannungsimpulse an der Lesewicklung und die daraus abgeleiteten Digitalsignale in verschiedenen Diagrammen schematisch dargestellt. Figur 11 zeigt digitale Ausgangsimpulse des Taktgenerators, die als Maske dienen. Nach Figur 1 enthält die Drehstromzuleitung einer Anlage, deren Phasen mit R, S und T und deren Mittelpunktsleiter mit Mp bezeichnet sind, einen Leistungsschalter 2, dessen Schaltschloss 4 mit einem Auslöser 6 versehen ist. Die Drehstromleiter R, S und T sowie der Mittelpunkts- leiter Mp sind durch den Magnetkern 12 eines Magnetkreises 10 hindurchgeführt, der mit zwei Sekundärwicklungen versehen ist, von denen eine als Schreibwicklung 8 und die andere als Lesewicklung 9 dient und die über den Kern 12 magnetisch gekoppelt sind. Im Schreibkreis 14 ist ein Taktgenerator 20 vorgesehen, der auf getrennten und nicht näher bezeichneten Ausgangsleitungen digitale Pulse P1 bis P4 liefert und die Ablaufsteuerung übernimmt. Die Pulse P1 und P3 dienen als Prüfpulse und werden Über Verstärker, sogenannte Treiber 15 bzw. 17, auf die Schreibwicklung 8 gegeben. Die Pulse P2 und P4 dienen als Ummagnetisierungspulse und werden ebenfalls Über Treiber 16 bzw. 18 in umgekehrter Richtung der Schreibwicklung 8 zugeführt. Die Ausgangsleitungen der Treiber 16 und 18 enthalten jeweils eine Entkopplungsdiode 22 bzw. 23. Die in der Lesewicklung 9 induzierten Pulse werden im Lesekreis 24 Über elektronische Komparatoren 26 und 27 digitalisiert und ihre Ausgangssignale U26 und U27 werden einer Koinzidenzschaltung 30 zugeführt, die ein UND-ODER-Gatter darstellt und vier UND-Gatter 31 bis 34 enthält, dem ein ODER-Gatter 35 nachgeschaltet ist. In den Ausgangsleitungen der Komparatoren 26 und 27 sind zusätzliche Inverter 28 und 29 angeordnet. Das Ausgangs signal U35 der Koinzidenzschaltung 30 wird einem Eingang eines weiteren UND-Gatters 38 zugeführt, dessen zweitem Eingang eine Folge von Pulsen PS des Taktgebers 20 vorgegeben ist, die als Maske dienen. Es erscheint somit ein Uberwachungssignal U38, wenn die Maskenpulse P5 mit einem Ausgangs signal U35 der Koinzidenzschaltung 30 zusammenfallen. Das Uberwachungssignal U38 hat eine Warnfunktion und kann eine akustische oder optische Anzeige bewirken, was in der Figur durch eine Lampe 40 angedeutet ist, die beispielsweise eine Lumineszenzdiode sein kann. Das Uberwachungssignal U38 kann Jedoch auch zur Abschaltung der nicht dargestellten Anlage verwendet und zu diesem Zweck dem Auslöser 6 zugeführt werden, der über das Schloss 4 den Schalter 2 betätigt. Das weichmagnetische Material des Magnetkerns 12 hat nach Figur 2 eine annähernd rechteckige Magnetisierungskennlinie, deren Induktion B sich dementsprechend bei einer vorbestimmten Koerzitivfeldstärke Hc sprunghaft ändert. In Abhängigkeit von verschiedenen Grössen der Feldstärke H, die im Magnetkern 12 sowohl durch einen Differenzstrom FI als auch durch die Schreibimpulse Pl bis P4 erzeugt werden, sind verschiedene Anzeigebereiche a bis e angenommen. Vom Nenn-Fehlerstrom FI soll beispielsweise eine Feldstärke HN induiiert werden. Wird beispielsweise die Amplitude der Prüfpulse P1 und P3 so gewählt, dass der von Ihnen erzeugte Feldstärkebetrag /Hp1,3/ = H = 1/2 HC ist, so bleibt nach der folgenden Tabelle im Anzeigebereich a der Feldstärke H der Di fferenz strom FI kleiner als der zulässige Fehlerstrom IN. Es muss somit nur die vom Schreibpuls, beispielsweise dem Prüfpuls P1, im Magnetkreis 12 induzierte Feldstärke H entsprechend p gewählt werden. Die üblicherweise aus H-Signalen (high) oder Signalen (low) bestehenden Ausgangssignale U26 und U27 der Komparatoren 26 und 27 im Lesekreis 24 ändern sich nicht wesentlich. Wird nun beispielsweise die Amplitude der Ummagnetisierungspulse P2 und P4 entsprechend einer Feldstärke /Hu2,4/ = 2 . Hc gewählt, so löst der Fehlerstrom FI im Vergleich zum zulässigen Fehlerstrom IN entsprechend der folgenden Tabelle in den Anzeigebereichen b bis e folgende digitale Signale U26 bzw. U27 aus: Anzeige- FI U26 U27 bereich a -I#N < FI < I#N L H L H b I#N < FI < 2.I#N H L L H c 2-I#N < FI L L 1, L d -2.I#N xFI < -I#N L H H L e FI < -2.I#N L L L L Ein unzulässig hoher Fehlerstrom FI wird daran erkannt, dass die logische Gleichung (P1 A U2 & V (P3 A U27) V (P2 A 826) V (P4 # Ü27) = H während mindestens eines der'Maskenpulse P5 erfüllt ist. Der Taktgenerator 20 der Ablaufsteuerung liefert nach dem Diagramm der Figur 3 zur Zeit to seinen Prüfpuls P1. Zur Zeit t3 folgt nach dem Diagramm der Figur 4 ein Ummagnetisierungspuls P2, der sich zum Puls P1 summiert und somit im Kern 12 eine zur Ummagnetisierung ausreichende Feldstärke HU2 erzeugt. Zur Zeit t6 folgt nach dem Diagramm der Figur 5 ein PrUfpuls P3 und zur Zeit t9 nach dem Diagramm der Figur 6 ein weiterer Ummagnetisie- rungspuls P4, der eine zur Ummagnetisierung ausreichende Feldstärke E 4 Hu4 erzeugt, wie es in Figur 7 angedeutet ist. Darin ist die Jeweils erhaltene positive bzw. negative Schreibfeldstärke Hw an der Schreibwicklung 8 in Abhängigkeit von der Zeit t schematisch veranschaulicht. Die vom Prüfpuls P1 erzeugte Feldstärke Hp1 ist nicht grösser als die Fehlerstromfeldstärke HN. Dagegen überschreitet die Hu2 des Ummagnetisierungspulses P2 die Koerzitivfeldstärke Hc deutlich und der Kern 12 wird ummagnetisiert. In gleicher Weise wird der Kern 12 durch die Feldstärke Hp3 = -H#N noch nicht ummagnetisiert, jedoch durch den folgenden Puls P4 mit der Feld stärke - E 4. An der Lesewicklung 9 wird somit nach Figur 8 durch den Prüfpuls Pl zunächst nur ein geringes Lese signal induziert. Sobald jedoch die Summe 2 der Pulse P1 und P2 wirksam wird, erhält man ein Lesesignal Ug, das einen an dem Komparator 26 einstellbaren Grenzwert U5 Uber- schreitet und es wird nach Figur 9 ein digitaler Lesepuls U26 mit steilen Flanken gebildet, welcher der Koinzidenzschaltung 30 zugeführt werden kann. Zur Umformung des Analogsignals U9 in das Digitalsignal U26 kann der Komparator 26 einen elektronischen Kippverstärker, beispielsweise einen Schmitt-Trigger, enthalten. In gleicher Weise erfolgt die Bildung des digitalen Lesepulses U27 aus dem analogen Lese signal U9 durch die Schreibpulse P3 und P4 nach den Figuren 8 und 10. Die Lesepulse U26 und U27 werden in der Koinzidenzschaltung 30 mit den Schreibpulsen P1 bis P4 verknüpft und die Ausgangspulse dieser Koinzidenz schaltung 30 werden zusammen mit den als Maske dienenden Pulsen P5 nach Figur 11 dem UND-Gatter 38 zugeführt. Es erscheint somit jeweils dann ein Ausgangssignal U38, wenn die logische Gleichung während eines der Maskenpulse PS erfüllt ist. Die Ausgangssignale U38 können nun entweder ausschliesslich zur Überwachung dienen und z.B. nur der Lampe 40 zugeführt werden oder zugleich zur Abschaltung einer Anlage dienen und zu diesem Zweck dem Auslöser 6 des Schalters 2 zugeführt werden. Ferner kann die Wirkung des Ausgangssignals der Grösse des Differenzstromes FI angepasst werden. Es kann beispielsweise eine Auslösung des Schalters 2 nur dann vorgesehen sein, wenn ein Fehlerstrom FI in den Messbereichen c und e vorliegt, während für Differenzströme in den Bereichen b und d die Anzeige 40 anspricht. 3 Patentansprüche 11 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Uberwachung von Leiterströmen auf einen Differenzstrom, der die Vormagnetisierung eines Magnetkreises ändert, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Magnetkreis (io) mit wenigstens annahernd rechteckiger Magnetisierungsschleife und vorbestimmter Koerzitivfeldstärke (Hc) durch Sber- lagerung eines Prüfpulses (P1 bzw. P3) und eines Ummagnetisierungspulses (P2 bzw. P4) mit einer vorbestimmten Stromstärke eine vorbestimmte Feldstärke ( ) erzeugt wird, und dass die von der Summe dieser Feldstärke (Hw) und der von einem Differenzstrom (FI) erzeugten Feldstärke (hat) induzierte Spannung (Ug) gemessen und ein Uberwachungssignal (U38) abgeleitet wird, wenn diese Spannung (u9) innerhalb eines Maskenpulses (p5) einen vorbestimmten Grenzwert (Us) überschreitet. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens 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 der Magnetkreis (10) einen Magnetkern (12) mit wenigstens annähernd rechteckiger Magnetisierungsschleife enthält, der mit einer Schreibwicklung (8) versehen ist, die mit einer Lesewicklung (9) magnetisch gekoppelt ist, und dass ein Taktgenerator (20) vorgesehen ist, der Schreibsignale (P1 bis P4) für die Schreibwicklung (8) und für eine Koinzidenzschaltung (30) liefert, die eine logische Verknüpfung der Schreibsignale (P1 bis P4) mit den Ausgangssignalen (U26 und U27) der Lesewicklung (9) herstellt, und dass der Taktgenerator (20) eine Folge von als Maske dienenden Pulsen (P5) liefert, die mit den Ausgangssignalen (und5) der Koinzidenzschaltung (30) einem UND-Gatter (38) vorgegeben sind. 3. Anordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Koerzitivfeldstärke (Hc) der Magnetisierungskennlinie des Magnetkerns (12) und die von den Schreibsignalen (P1 bis P4) erzeugte Feldstärke (Hw) entsprechend einem vorbestimmten Messbereich (a bis e) für einen Differenzstrom (FI) gewählt sind.

Inventors: BREIMESSER, FRITZ, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: H02H3
IPC codes: H02H3