AT217117B

AT217117B - Fehlerstrom-Schutzschaltung

Info

Publication number: AT217117B
Application number: AT564760A
Authority: AT
Inventors: August Ing Stuke
Original assignee: August Ing Stuke
Priority date: 1959-07-31
Filing date: 1960-07-22
Publication date: 1961-09-11

Description

Fehlerstrom-Schutzschaltung
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nen die Summe der Ströme, die zum Verbraucher hin und von ihm zurückfliessen, verschieden ist. Beim Auftreten von Fehlerströmen, insbesondere wenn diese Ströme plötzlich in ihrer vollen Grösse auftreten, ist es erforderlich, zum Schutz von Mensch und Tier die spannungführenden Masseteile möglichst schnell spannungslos zu machen.

Es sind bereits elektrische Schutzschalter mit einem eine magnetisch auslenkbare Zunge aufweisenden Auslöser zur Überwachung elektrischer Anlagen bekannt, die ansprechen, wenn durch irgendwelche Mängel in der Leiterisolierung Fehlerströme auftreten. Die Abschaltung der Anlage erfolgt dabei in der Weise, dass eine schwingend ausgebildete Zunge des Auslösers auf die Verklinkung des Schutzschalters einwirkt. Da zur Steuerung Wechselstrom Verwendung findet, schwingt diese Zunge hin und her und speichert dabei ein beachtliches Arbeitsvermögen. Wesentlich hiebei ist, dass die Zunge bei plötzlich auftretendem Fehlerstrom erst einige freie Schwingungen ausführt, bevor sie das Auslöseglied betätigt.

Derartige magnetische Anordnungen ohne Nachverstärkung mittels üblicher Verstärkeranordnungen besitzen eine zu geringe Ansprechempfindlichkeit und Ansprechgeschwindigkeit, da die Schaltkraft etwa quadratisch mit dem sekundärartig vom Wandler gelieferten Strom zu-oder abnimmt, und sowohl Massenbeschleunigung als auch hohe Induktivität der Erregerspule sich nachteilig auswirken. Weiter sind bebereits Schutzrelais mit z. B. elektrodynamischen Auslösesystemen bekanntgeworden, deren bewegliche Teile aus einer Mittellage bewegt werden können, wodurch die Auslösung eines Schalters veranlasst wird.

Derartige Anordnungen haben jedoch den Nachteil, dass der Wirkungsgrad verhältnismässig gering ist.

Gemäss der Erfindung werden die vorgenannten Nachteile dadurch beseitigt, dass der dem Differentialwandler entnommene Fehlerstrom einem elektrodynamischen Tauchspulsystem zugeführt wird. Unter einem derartigen elektrodynamischen Tauchspulsystem wird dabei ein solches System verstanden, bei dem ein stromdurchflosseher Leiter als Auslöseorgan eine Bewegung ausführt, insbesondere ein Tauchspulsystem nach Art eines Lautsprechersystems.

Ein derartiges elektrodynamisches Tauchspulsystem gemäss der Erfindung hat eine wesentlich grössere Ansprechgeschwindigkeit als bekannte Anordnungen, da es mit geringerer Induktivität und kleinerer Masse aufgebaut werden kann. Beispielsweise benötigen die bekannten magnetischen Schaltungsanordnungen zum Abschalten der Anlage bei voller Höhe des auftretenden Fehlerstromes etwa 0, 1 sec. Dies entspricht bei einer Netzfrequenz von 50 Hz 5 Perioden. Wird ein dynamisches Tauchspulsystem gemäss der Erfindung verwendet, so lassen sich für Wechselstromschaltungen Auslösezeiten von weniger als 0, 01 sec erzielen, was maximal einer halben Periode entspricht. Hat der Fehlerstrom hiebei das richtige Vorzeichen, so erfolgt ein Ansprechen also bereits nach einer halben Piode ; bei umgekehrten Vorzeichen steigt die Auslösezeit auf 0, 02 sec, also eine Periode an.

Um innerhalb einer halben Periode bei vollem Fehlerstrom den Schutzschalter stets zur Auslösung zu bringen, kann das dynamische Tauchspulsystem z. B. über einen Doppelweg-Gleichrichter an den Fehlerstromwandler angeschlossen werden, wodurch unabhängig von der Phasenlage des erregenden Fehlerstromes die Auslenkung bei jeder Halbwelle in der Auslöserichtung erfolgen kann.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung gegenüber dem Bekannten besteht also

darin, dass die Beziehung zwischen Strom und auslenkender Kraft bei dem elektrodynamischen Tauchspulsystem linear ist und die Auslösekraft somit bei abnehmendem Strom wesentlich weniger abnimmt, als dies bei bekannten Ausführungen der Fall ist. Bei richtiger Dimensionierung von Spaltfeldstärke und Windungszahl und bei spezieller Anpassung des dynamischen Tauchspulsystems in bezug auf den Differentialwandler besitzt das Tauchspul-Auslösesystem einen wesentlich besseren elektromechanischen Wirkung-
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Ausführungsformen.ferentialwandler abgegebenen Energie zum dynamischen Tauchspulsystem ohne Zwischenschaltung von Verstärkerelementen wie z. B.

Transistoren, Thyratrons usw. eine Abschaltung des Fehlerstromschutzschalters auch bei sehr kleinen Fehlerströmen, z. B. kleiner als 0, 3 A erzielt wird.

Abgesehen von der hohen Ansprechgeschwindigkeit zeichnet sich der Gegenstand der Erfindung durch seine Einfachheit im Aufbau und seine Unempfindlichkeit hinsichtlich auftretender Störungen gegenüber bekannten Schutzschalteranordnungen aus. Letztere benötigen im allgemeinen zur Erzielung niedrigerer Auslösestromstärken als z. B. 0, 3 AVerstärkungen zwischen Wandler undAuslöseorga. n. Werden z. B. Thy- ratrons zur Verstärkung eingesetzt, so treten häufig Störungen infolge Nichtzedens beim Auftreten von vol1en > Fehlerströmen bzw. durch Selbstzünden bei kapazitiven Schaltvorgängen im Netz auf. Sehr häufig filhrt auch eine thermische Beanspruchung zum Versagen des Schutzschalters.

Bei der Tauchspulanordnung gemäss der Erfindung ist es in bezug auf die entsprechende Kraftwirkung nicht kritisch, an welcher Stelle im Magnetfeld die Tauchspule liegt, solange die Spule im homogenen Feld bleibt. Diese Tatsache ist bei Schutzschaltern von Bedeutung, da bei diesen wegen der empfindlichen Auslösemechanismen eine Justierung erforderlich sein kann. Für eine derartige Justierung wird daher die Ansprechempfindlichkeit im Gegensatz zu bekannten Anordnungen nicht beeinflusst.

Die Erfindung sieht vor, dass der dem Differentialwandler entnommene Fehlerstrom einer Auslösespu1e eines elektrodynamischen Tauchspulsystems zugeführt wird. Eine Schubstange ist mit dem Auslösespulekörper verbunden und wirkt entsprechend der Bewegung der Auslösespule auf eine Auslösesperre ein, so dass eine Abschaltung der Anlage erfolgt. Die Auslösespule und die damit verbundene Schubstange sind durch eine Zentrierung aufdem Magnetkern des Tauchspulsystems in axialer Richtung geführt. Diese Zentrierung kann so ausgebildet sein, dass eine Führung innerhalb des Magneten selbst vorgesehen ist, z. B. kann ein zylindrischer Stift, der eine Verlängerung der Schubstange darstellt und mit der Auslösespule fest verbun- den ist, in einer Bohrung im Magneten geführt werden.

Ferner ist es möglich, die an sich bekannte Zentriervorrichtung zu verwenden, wie sie z. B. bei Lautsprechersystemen verwendet wird. Durch Änderung der beweglichen Masse und der Federung der Zentrierung kann die mechanische Resonanz des elektrodynamischen Tauchspulsystems auf Netzfrequenz abgestimmt werden.

Um die Empfindlichkeit der Anordnung zu erhöhen, kann die Auslösespule bzw. die Schubstange und damit das zugehörige Auslöseorgan ferner eine mechanische Vorspannung in Richtung der Auslösekraft erhalten, die jedoch kleiner als die Auslösekraft selbst ist.

Eine Rückstellung der Auslösespule in die Ruhelage kann selbsttätig oder von Hand erfolgen. Im ersteren Falle geschieht dies beispielsweise mit Hilfe eines Rückstellsystems mit stabiler Anfangslage, dessen Rückstellkraft mit zunehmender Auslenkung abnimmt. Ein Beispiel dieser Art der Fixierung der Auslösespule in der Ruhelage besteht darin, einen Anker aus magnetischem Material. B. einen Stahl- oder Eisenring, auf dem aus lsoliermaterial bestehenden Spulenkörper vorzusehen. Durch den magnetischen Streufluss des dynamischen Tauchspulsystems wird dieser angezogen und bewirkt damit die Ruhelage der Aus- lösespule. Hiebei erfährt der Anker gleichzeitig die grösste Anziehungskraft durch den Streufluss des Systems. Bei einer Auslenkung der Auslösespule durch einen Fehlerstrom nimmt die Anziehungskraft auf den Ring schnell mit der Entfernung ab.

Die Fläche des Ringes wird dabei so abgestimmt, dass in der Nähe des Maximums der Hubbewegung der Auslösespule des Tauchspulsystems eine geringe Anziehungskraft im Verhältnis zur auslenkenden Kraft vorhanden ist. Praktisch steht somit eine grosse Auslösekraft in dem Bereich, in dem die Auslösesperre anspricht, zur Verfügung.

Die Rückstellung der Auslösespule kann auch in der Weise erzielt werden, dass ein mechanisches Schnappelement, wie es z. B. in Kipp- oder Schnappschaltern Verwendung findet, und das zwei stabile Stellungen einnehmen kann, auf den Auslösespulenkörper oder die Schubstange einwirkt. Eine der beiden Stellungen legt dabei die Anfangslage fest.

Schliesslich kann die Rückstellung der Auslösespule mittels einer an sich bekannten Zentriervorrichtung erzielt werden.

Es sei noch erwähnt, dass bei einer Speisung mit Wechselstrom eine Auslenkung der Auslösespule entgegen der AusIöserichtung, z. B. durch einen Anschlag, verhindert wird.

Um die Anordnung für verschiedene Auslösestromstärken geeignet zu machen, werden z. B. Vor oder

Nebenwiderstände zur Einstellung entsprechender Auslösestromstärken in den Stromkreis der Auslösespule gelegt bzw. im magnetischen Kreis verstellbare Kurzschlussbügel vorgesehen. Die Speisung des Tauchspulsystems kann auch mit gleichgerichtetem Fehlerstrom vorgenommen werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Dabei zeigen in der Zeichnung Fig. 1 eine Schaltung der erfindungsgemässen Anordnung, Fig.2 eine weitere Ausführung der Auslöseanordnung, insbesondere des Tauchspulsystems nach Fig. 1, Fig. 3, 4,5 in verschiedenen Skizzen verschiedene Schaltungsanordnungen im Zusammenhang mit der Erfindung und Fig. 6 eine mechanische Gleichrichtung über ein Hebelsystem.

In Fig. l liegt der Schutzschalter l mit seinen Phasen RST und dem Mittelpunktleiter Mp Im Zuge der Leitung. Ein in dieser Leitung auftretender Fehlerstrom wird über den Differentialwandler 2 mit den Anschlüssen 12, 13, 14 einer Auslösespule 4 zugeführt, die in den Spalt eines Magneten 3 eintaucht. Tritt in der Anlage kein Fehlerstrom auf, so ist keine Abweichung zwischen den zum Verbraucher 20 hinfliessenden und von ihm zurückfliessenden Strömen vorhanden. Es entsteht dann kein Strom in der Wicklung des Differentialwandlers 2. Tritt dagegen ein Feh1erstrom auf, z. B. durch einen Isolationsfehler am Verbraucher 20, so fliesst von diesem ein Strom zur Stromquelle. In diesem Fall tritt eine Abweichung zwischen den zum Verbraucher hin und von ihm zurückfliessenden Strömen auf.

Diese Abweichung ergibt den Fehlerstrom, der als Steuergrösse dem Differentialwandler 2 entnommen wird. Die mit der Auslösespule 4 verbundene Schubstange 5 steht über einen Hebelarm 6 mit der Auslösesperre 7 des Schutzschalters 1 in Verbindung. Die Schubstange 5 wird zusammen mit der Auslösespule 4 durch ein Zentrier-und Rückstellorgan 8 in ihrer Lage gehalten und ist nur in axialer Richtung bewegbar. P stellt eine Prüfvorrichtung dar, mit deren Hilfe die Funktion des Fehlerstrom-Schutzschalters jederzeit überprüft werden kann.

In Fig. 2 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt, bei der der mittlere Schenkel des Magneten 3 eine
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ihr geführt wird. Auf dem Auslösespulenkörper der Auslösespule 4 ist ein Ring 11 angebracht, der an Stelle der Zentrierung 8 aus Fig. 1 die Rückführung in die Ruhelage gewährleistet.

Fig. 3 zeigt, wie vor ein System nach Fig. l bzw. Fig. 2 ein Gleichrichter geschaltet ist, der unabhän- gig von der Phasenlage die richtige Polarität gewährleistet. Zur Einstellung der Ansprechgrenze ist nach Fig. 4 ein Potentiometer 15 in Serie zur Auslösespule 4 bzw. ein Potentiometer 16 parallel zur Auslösespule geschaltet. Die Potentiometer sind von aussen am Gehäuse einstellbar. So ist es möglich, eine ge- wünsche grössere Auslösestromstärke einzustellen. Für kleinere Auslösestromstärken, etwa 0, 3 A, lassen
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bei Auslösestromstärken bis zu 0, 3 A ist ein sicherer Brandschutz gewährleistet, da die Stromstärken im allgemeinen nur Funken- oder LichtbOgen verursachen, deren Energie für eine Brandentwicklung nicht ausreicht.

Fig. 5 stellt eine Gleichrichterschaltung mit Mittelabgriff 14 des Differentialwandlers 2 dar. Entsprechend ist eine Ausführung mit Brückenschaltung möglich.

In Fig. 6 ist eine erfindungsgemässe Anordnung skizziert, bei der zur Betätigung der Auslösesperre über ein Hebelsystem 17, 18, 19 eine mechanische Gleichrichtung erzielt wird.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung mit besonders kurzer Abschaltzeit und hoher Ansprechempfindlichkeit zum Schutz elektrischer Anlagen, in denen Fehlerströme mittels Differentialwandler erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass derdemDifferentialwandler (2) entnommene Fehlerstrom einem elektrodynamischen Tauchspulsystem (3, 4, 5, 6) zugeführt wird.

Claims

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Differentialwandler (2) entnommene Fehlerstrom der Auslösespule (4) eines elektrodynamischen Tauchspulsystems, die auf die Auslösesperre (7) des Schutzschalters einwirkt und damit die Anlage abschaltet, zugeführt wird.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösespule (4) und die mit der Auslösesperre (7) verbundene Schubstange (5) durch eine Zentrierung (8) auf dem Kern des dynamischen Systems in axialer Richtung geführt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zentrierung mittels einer Zentriervorrichtung, wie sie bei Lautsprechersysfemen Anwendung findet, vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Resonanz des elektrodynamischen Tauchspulsystems (3, 4, 5, 6) durch Änderung der beweglichen Masse und der Federung der Zentrierung (8) auf Netzfrequenz abstimmbar ist. <Desc/Clms Page number 4>

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Anordnung die Auslösespule (4) bzw. die Schubstange (5) und damit das zugehörige Auslöseorgan (6) eine mechanische Vorspannung in Richtung einer Unterstützung der Auslösekraft erhält.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zentrierung ein mit der Auslösespule (4) verbundenes Glied (9) in einer im elektrodynamischen Tauchspulsystem vorgesehenen zentrischen Führung (10) in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch ein Rückstellsystem mit stabiler Anfangslage, dessen Rückstellkraft mit zunehmender Auslenkung abnimmt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung der Anfangslage der Aus- Iö ! espu1e (4) auf dem Auxlösespulenkorper ein Anker (11) aus magnetischem Material angebracht ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rückstellung der Auslösespule (4) in die Ruhelage auf dem Auslösespulenkörper ein mechanisches Schnappelement mit zwei stabilen Stellungen, deren eine die Anfangslage darstellt, angebracht ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung des dynamischen Systems (3,4, 5,6) mit gleichgerichtetem Fehlerstrom erfolgt.

12. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung verschiedener Auslösestromstärken Vor-oder Nebenwiderstände in den Stromkreis der Auslösespule gelegt werden.

13. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstel- lung verschiedener Auslësestromstärken Beeinflussungsmöglichkeiten für den magnetischen Kreis, z. B. ver- stellbare Kurzschlussbügel, vorgesehen sind.

14. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Speisung des dynamischen Systems mit Wechselstrom eine mechanische Gleichrichtung der positiven und negativen Auslenkung mittels eines Hebelsystems (17,18, 19) erfolgt.

15. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Speisung mit Wechselstrom eine Auslenkung der Auslösespule entgegen der Auslöserichtung, z. B. durch einen Anschlag, verhindert wird.