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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Begrenzen einer Spannung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die elektrische Sicherheit und Erdung in ortsfesten Anlagen, die mit Gleichstrom-Bahnanlagen verbunden sind, erfordert gewisse 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 auftreten.
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Ursache für hohe Spannungen können Blitzeinschläge, Isolatorüberschläge, gerissene Fahrleitungen, die auf eine Fahrschiene oder auf andere leitfähige Bauteile – wie zum Beispiel Metallzäune – fallen, Gerüstschlüsse im Bahnspeisegleichrichter oder aber auch sehr hohe Lastströme bei intensivem Zugbetrieb sein.
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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 parallel geschaltete Kurzschließeinrichtungen, beispielsweise einen Überspannungsableiter, einen Leistungshalbleitersatz aus beispielsweise mindestens zwei antiparallel geschalteten Thyristoren und ein Leistungsschütz, die aufgrund ihrer technischen Eigenschaften verschiedene Leistungsbereiche aufweisen. Dadurch ergibt sich das Problem, dass bei schnellen und energiereichen Ereignissen einzelne Schutzeinrichtungen, deren Leistungsaufnahme begrenzt ist, geschädigt werden können.
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Der Überspannungsableiter 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 Fehlerströme bis zum Ansprechen von anderen Kurzschließeinrichtungen führen. Das Leistungsschütz hat primär die Aufgabe, bei den durch hohe Lastströme bei intensivem Zugbetrieb verursachten, unzulässig hohen Spannungen im Sekunden- bis Minutenbereich einen Potentialausgleich herzustellen. Es hat sekundär die Aufgabe, bei hohen Fehlerströmen nach circa 50 ms bis 100 ms den Thyristorsatz zu entlasten.
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Derartige Kurzschlussvorrichtungen sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 198 37 628 A1 oder aus der internationalen Veröffentlichung
WO 01/06610 A1 bekannt.
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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 Überspannungsableiter und der Thyristorsatz gleichzeitig ansprechen. Um die Beschädigungsgefahr der Thyristoren durch einen schnellen Stromanstieg – etwa im Falle eines Blitzstromes – einzudämmen, sind zwei Maßnahmen bekannt.
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Einerseits kann zwischen dem Überspannungsableiter 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.
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Andererseits kann eine Zündverzögerung der Thyristoren im Millisekundenbereich – bis der Blitzstrom durch den Überspannungsableiter abgeklungen ist – vorgesehen sein. Diese Maßnahme wird beispielsweise in der internationalen Veröffentlichung
WO 03/034565 A1 vorgeschlagen. Allerdings verursacht eine Verzögerung der Thyristorzündung eine härtere Beanspruchung des Überspannungsableiters durch mögliche hohe Fehlerströme, etwa in Folge einer gerissenen Fahrleitung. Damit wäre entweder ein Defekt in Kauf zu nehmen oder der Überspannungsableiter überdimensioniert auszulegen, was wiederum mehr Bauraum erfordert und höhere Kosten verursacht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die genannten Nachteile überwindet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Begrenzen einer Spannung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Indem die Vorrichtung eine Einrichtung zum Messen einer 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 Vorteil eine selektive Erkennung der Beanspruchung der Vorrichtung ausgenutzt. Dieser selektiven Erkennung der Beanspruchung liegt ein Unterschied in der Geschwindigkeit des Stromanstiegs 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 Überspannungsableiter in Form eines Varistors, beispielsweise eines Zinkoxid-Varistors ausgebildet, während die zweite Kurzschließeinrichtung durch einen Satz von wenigstens zwei antiparallel geschalteten Thyristoren gebildet wird.
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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 Weise lässt sich der Anstieg der Stromstärke indirekt durch einen einfachen Abgriff der induzierten Spannung messen, wobei die Induktivität durch eine Spule mit geringerer Messinduktivität gebildet wird, zum Beispiel durch eine Verbindungsleitung oder Verbindungsschiene. Da die induzierte Spannung direkt 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.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die induzierte 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 Kurzschließeinrichtung 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 Kurzschließeinrichtung selektiv, d. h. in Abhängigkeit der vorliegenden Beanspruchung, anzusprechen bzw. zu schalten.
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Vorzugsweise ist in der Steuereinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine obere Grenzspannung vorgegeben, oberhalb welcher eine induzierte Spannung auf eine Blitzstrombeanspruchung zurückführbar ist. Geht man bei einem Blitzstrom von einer Stromanstiegsgeschwindigkeit von etwa 1000 A/μs aus, wird an einer Induktivität von beispielsweise 0,2 μH eine Spannung von 200 V induziert. Über diesem oberen Grenzwert kann davon ausgegangen werden, dass eine Blitzstrombeanspruchung vorliegt.
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Des Weiteren ist vorzugsweise in der Steuereinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine untere Grenzspannung vorgegeben, unterhalb welcher eine induzierte Spannung auf eine Fehlerstrombeanspruchung zurückführbar ist. Geht man bei einem Fehlerstrom von einer Stromanstiegsgeschwindigkeit von etwa 10 A/μs aus, wird an einer Induktivität von beispielsweise 0,2 μH eine Spannung von 2 V induziert. Unter diesem unteren Grenzwert kann davon ausgegangen werden, dass eine Fehlerstrombeanspruchung vorliegt.
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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 induzierte 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 Vorgängen, 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 Kurzschließeinrichtung nur bei Fehlerströmen und nicht auch bei Blitzströmen beansprucht wird, was Beschädigungen der zweiten Kurzschließeinrichtung durch zu große Strombeanspruchungen vermeidet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße 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 Sekunden- bis Minutenbereich aus und entlastet die zweite Kurzschließeinrichtung bei hohen Fehlerströmen nach circa 50 ms bis 100 ms zu entlasten. Die dritte Kurzschließeinrichtung kann beispielsweise als Leistungsschütz ausgebildet sein.
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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.
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Gemäß der einzigen Figur wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Begrenzen einer Spannung U1 zwischen einer ersten elektrischen Leitung 1, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer als Rückleiter verwendeten Fahrschiene G einer Gleichstrombahn verbunden ist, und einer zweiten elektrischen Leitung 2, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mit Erde E verbunden ist, eingesetzt.
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Die Vorrichtung umfasst eine erste Einrichtung 3 zum Kurzschließen der Leitung 1 mit der Leitung 2, die als Überspannungsableiter in Form eines Varistors V, vorzugsweise als Metalloxid-Varistor, ausgebildet ist. Überschreitet die Spannung U1 eine vorgegebene Schwellspannung, so wird der Varistor V leitend, was einem Ansprechen der ersten Kurzschließeinrichtung 3 entspricht. Der Varistor V ist für Blitzstrombeanspruchungen dimensioniert und schützt die anderen Einrichtungen der erfindungsgemäßen Kurzschließvorrichtung bei solchen Beanspruchungen.
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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 elektronisch schaltbar und schließt die Leitungen 1 und 2 bei Überschreiten der Spannung U1 über eine Ansprechspannung UB kurz. Der Thyristorsatz T baut im Mikrosekundenbereich hohe Überspannungen U1 ab und führt im Allgemeinen sehr hohe Fehlerströme bis zum Ansprechen von anderen Kurzschließeinrichtungen. 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.
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Erfindungsgemäß umfasst nun die Vorrichtung eine Einrichtung 5 zum Messen einer durch die Spannung U1 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 μH 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 wenigstens di/dt = 1000 A/μs mindestens 1000 A/μs·0,2 μH = 200 V =: UX, während sie bei einer Fehlerstrombeanspruchung mit einer Stromstärkeänderung von weniger als di/dt = 10 A/μs höchstens 10 A/μs·0,2 μH = 2 V =: UY beträgt. Hierbei wurden die ohmschen Spannungsabfälle an der Messeinrichtung 5 der Einfachheit halber nicht berücksichtigt.
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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 unschädliches Ansprechen ermöglichen. Der selektiven Erkennung der Beanspruchung liegt ein Unterschied in der Stromanstieggeschwindigkeit bei Blitzstrom- und Fehlerstrombeanspruchung zugrunde.
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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 U1 und der induzierten Spannung U2 ausgebildet ist. Hierzu sind nicht dargestellte Spannungsmesser zur Messung der Gleis-Erde-Spannung U1 und der induzierten Spannung U2 vorgesehen, die in der Steuereinheit 6 integriert sind oder mit dieser zur Zuführung der Spannungsmesswerte verbunden sind.
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In der Steuereinheit 6 wird der Messwert der Spannung U2 einem 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 zweiten 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 |U2| < UX und |U1| ≥ UB erfüllt, werden die Thyristoren T der zweiten Kurzschließeinrichtung 4 gezündet und der Überspannungsableiter V der ersten Kurzschließeinrichtung 3, falls ein Ansprechen stattgefunden hat, sofort entlastet.
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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 Bedingung |U2| ≤ UY und |U1| ≥ 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.
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Es wird jeweils der Betrag der gemessenen Spannung U1 und U2 ausgewertet, so dass die Erkennung bipolar arbeitet.
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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 Minutenbereich einen Potentialausgleich herzustellen. Bei hohen Fehlerströmen entlastet das Leistungsschütz S nach circa 50 ms bis 100 ms den Thyristorsatz T der zweiten Kurzschließeinrichtung 4.
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Erfindungsgemäß wird die auftretende Beanspruchung der Vorrichtung zum Begrenzen des Schienenpotenzials durch eine Verknüpfung der durch die Stromanstieggeschwindigkeit di/dt induzierten Spannung U2 mit der Gleis-Erde-Spannung U1 erkannt und ein selektives Ansprechen der einzelnen Kurzschließeinrichtungen realisiert. Wird die Ansprechspannung UB durch die Spannung U1, aber gleichzeitig die obere Grenzspannung UX durch die induzierte Spannung U2 überschritten, gilt also die Bedingung |U2| ≥ UX und |U1| ≥ UB, so wird ein Ansprechen der zweiten Kurzschließeinrichtung 4 verhindert, so dass bei einer Blitzstrombeanspruchung nur der Überspannungsableiter der ersten Kurzschließeinrichtung 3 anspricht, die Thyristoren T der zweiten Kurzschließeinrichtung 4 aber nicht gezündet werden. Der obere Grenzwert UX wird so festgelegt, dass eine unzulässige Beanspruchung der Leistungshalbleiter, beispielsweise der Thyristoren T, durch eine zu hohe Steilheit des Laststromes verhindert wird. Bei einem Fehlerstrom werden die Thyristoren T gezündet und der Überspannungsableiter 3, falls ein Ansprechen stattgefunden hat, unverzögert entlastet.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine einfachere Dimensionierung des Ableiters V der ersten Kurzschließeinrichtung 3, da keine Notwendigkeit besteht, den Fehler- bzw. Folgestrom 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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19837628 A1 [0006]
- WO 01/06610 A1 [0006]
- WO 03/034565 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN 50122-1 [0002]
- EN 50122-1 [0021]