AT521604B1 - Vorrichtung zur Überprüfung von Fehlerstromschutzschaltern - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Überprüfung von Fehlerstromschutzschaltern, bestehend aus einem Gehäuse (1) mit appliziertem Bedienfeld und Display (2), mit eingebauter Stromversorgung (3) mit Batterien, Buchsen (4a, 4b, 4c) zum Anschluss der Prüfspitzen (8a, 8b, 10), Sicherung und Steuerelektronik Dabei wird mittels eines Mikrocontrollers (µC) eine beliebige Wechsel-, Gleich- oder Mischspannung erzeugt, die mittels des Strom-Spannungswandlers (SSW) in einen Prüfstrom verwandelt wird und über eine Schutzschaltung (5), die im Kern aus einem elektronischen AC-Schalter besteht, auf die netz- und lastseitige Klemme eines FI-Schalters (vorzugsweise des N-Leiters) gespeist wird. Die Steuerung der Schutzschaltung (5) erfolgt durch die Spannungserfassung (6) und Komparatorlogik (7). Mittels Schnittstelle (9) können Daten und Prüfprogramme in einen weiteren Kontext z.B. im Prüffeld eingebunden werden. Durch die Flexibilität der Erzeugung des Prüfstroms können alle Arten von FI-Schaltern geprüft werden. Verschiedene Prüfprogramme können abgespeichert werden und über die Ein-Ausgabeeinheit (E/A) aufgerufen werden. Wichtige Daten können am Display (2) dargestellt werden.

Description

VORRICHTUNG ZUR ÜBERPRÜFUNG VON FEHLERSTROMSCHUTZSCHALTERN [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überprüfung eines Fehlerstromschutzschalters, bestehend aus einem Gehäuse (1) mit appliziertem Bedienfeld und Display (2), mit eingebauter Stromversorgung (3) mit Batterien, Buchsen (4a, 4b, 4c) zum Anschluss der Prüfspitzen (8a, 8b, 10), Sicherung und Steuerelektronik.

[0002] Fehlerstromschutzschalter (Fl Schalter) sind ganz wichtige Bauelemente in der Schutztechnik im Niederspannungsnetz. Sie sind extrem wichtig für den Personen- und Brandschutz.

[0003] Eine genaue Prüfung der Qualität und der Funktionstüchtigkeit ist daher von entscheidender Bedeutung. Die hier vorgeschlagene Prüf- und Messvorrichtung ermöglicht das Testen von Fl-Schaltern sowohl im nichteingebauten wie im eingebauten Zustand unter Spannung. Die Einspeisung des Fehlerstroms ist dabei sinnvoll beim N-Leiter. Dazu wird mittels zweier Prüfspitzen an die beiden Anschlüsse (Schraubenköpfe) ein Strom über den Schaltkontakt des NLeiters gespeist. Dadurch kommt es zu einem Fluss im Magnetkreis, der bei ausreichender Größe und Form zum Auslösen des Fl-Schalters führt. Da es beim Betrieb unter Spannung beim Abschalten zu hohen Überspannungen am Schaltkontakt kommen kann, besonders dann, wenn man die Prüfspitzen nicht an die Klemmen des Schaltkontakts im N-Leiter legt, sondern an einen Kontakt einer Phase, kann die Elektronik zerstört werden. Dazu ist eine spezielle Schutzvorrichtung vorgesehen. Auch wenn die Prüfspitzen zwischen zwei Phasen oder zwischen Phase und Neutralleiter gelegt werden, darf es nicht zu einer Zerstörung der Prüfvorrichtung kommen.

[0004] Mit einem Mikrocontroller wird eine beliebige Spannungsform erzeugt und diese mittels einer spannungsgesteuerten Stromquelle in den zu verwendenden Prüfstrom verwandelt. Die Form dieses simulierten Fehlerstroms kann, bedingt durch die Flexibilität des Mikrokontrollers, beliebiger Form sein. Weiters kann eine Synchronisierung zur Netzspannung vorgesehen werden. Dazu wird man die Spannungsnulldurchgänge mittels Komparator detektieren und in Bezug auf diese den simulierten Fehlerstrom unmittelbar oder mit einer vorgebbaren Zeitverschiebung auslösen. Man benötigt dazu aber eine dritte Prüfspitze, weil nun die Phasenspannung erfasst werden muss.

[0005] Man kann auch nach einem Startimpuls hintereinander verschiedene Fehlerstromsignale einspeisen, bis es zur Auslösung kommt. Über ein Bediendisplay wird man Stromform, Größe und Ablauf der Messung festlegen. Am Touch-Display können dann auch wie bei einem Oszilloskop der Kurvenverlauf des Stroms oder andere Signalgrößen dargestellt werden.

[0006] Damit das Gerät flexibel einsatzfähig ist, wird man die Versorgung über Batterien oder Akkumulatoren durchfuhren. Eine Schnittstelle zum Auslesen und Einlesen von Daten (kann auch mittels WLAN erfolgen) wird man vorsehen, um die Flexibilität und Anwendungsfähigkeit der Vorrichtung zu erhöhen.

[0007] Nach der Vorbereitung der Messung wird es sinnvoll sein, den Startbefehl für den vorgesehenen Ablauf mittels eines Tasters, der z.B. in einem Handgriff der Prüfspitzen integriert ist, auszulösen.

[0008] Die Schutzvorrichtung wird aus mehreren Teilen bestehen. Schaltet man parallel zu den Kontakten Kondensatoren, so wird der Stromabriss gemindert und auch in bestimmten Fällen (Schalten nahe beim Stromnulldurchgang) der Lichtbogen und damit der Kontaktabbrand und starke elektromagnetische Abstrahlung vermieden. Die entstehende Schwingung hängt im Wesentlichen von der Summe aus Netzinduktivität und Lastinduktivität und den verwendeten Beschaltungskondensatoren ab.

[0009] Zum Schutz der Elektronik wird man am Eingang des Geräts Avalanchedioden (Suppressordioden) vorsehen. Den Durchbruch wird man bei nur einphasigen Geräten auf etwa plus/minus 400 V festlegen. Wenn man das Gerät auch im dreiphasigen Niederspannungsnetz /7

AT 521 604 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt anwenden möchte, wird man als Spannung etwa plus/minus 650 V festlegen. Diese Durchbruchsdioden können nur für kurze Zeit Energie aufnehmen. Um nun das Gerät zu schützen wird ein elektronischer AC-Schalter eingebaut. Dieser besteht z.B. aus einer Serienschaltung von zwei antiseriell geschalteten MOSFETs mit einer potentialfreien Ansteuerung. Falls die internen Dioden (Intrinsicdiode, Bodydiode) zu langsam sind, kann man diese auf bekannte Weise durch externe Dioden ersetzen. Dieser Schalter wird nur eingeschaltet, wenn keine oder nur geringe Spannung an den Prüfspitzen anliegen und die Messung gestartet wird. Liegt Spannung an und die Messung wird gestartet, sollte eine Warnung ausgegeben werden und der Prüfvorgang nicht durchgeführt werden. Über eine Spannungsmessvorrichtung, mit der am einfachsten die mittels eines Gleichrichters gleichgerichtete Spannung zwischen den Prüfspitzen erfasst wird, wird ein Komparator angesteuert. Wenn diese Spannung kleiner als eine vorgegebene Schwelle ist, kann nun der AC-Schalter eingeschaltet werden. Tritt nun beim Abschalten Spannung am Kontakt auf, schaltet der Komparator um und der AC-Schalter trennt die Fehlerstromquelle von den Prüfspitzen. Solange der AC-Schalter aber noch eingeschaltet ist, kommt die Spannung vom abschaltenden Kontakt an den Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquelle. Daher ist auch dort eine bidirektionale Suppressordiode (Transildiode, Transzorbdiode) vorgesehen. Mittels einer Diode, deren Anode an den Ausgang der Stromquelle geschaltet ist zur positiven Versorgungsspannung und einer weiteren Diode, deren Kathode an den Ausgang der Stromquelle geschaltet ist und deren Anode mit der negativen Betriebsspannung verbunden ist, wird ebenfalls die Elektronik geschützt.

[0010] Die Ablaufsteuerung, die Ansteuerung und Auswertung der Eingabe/Ausgabeeinheit (Display), die Erzeugung der Spannung für die spannungsgesteuerte Stromquelle wird vom Mikrocontroller durchgeführt.

[0011] Fig. 1 zeigt das grundlegende Konzept. Innerhalb eines Gehäuses (1) befindet sich die Steuerelektronik. Kommunikation zum Benutzer erfolgt über eine Ein-/Ausgabevorrichtung (2) z.B. durch einen Touchscreen. Das Gerät wird durch Batterien (Akkumulatoren) (3) die z.B. über die USB-Schnittstelle (9), die als zusätzliche Möglichkeit zur Kommunikation vorgesehen sein kann, geladen werden. Die Steuerung des Geräts erfolgt durch einen Mikrocontroller (pC), der auch über den Digital-Analog Wandler (DAC) verfugt. Das analoge Spannungssignal wird mittels Spannungs-/Stromwandlers (SSW) in einen gleichförmigen Strom verwandelt. Die Schutzschaltung (5) ermöglicht die Einspeisung des Stroms auf die Kontakte des Fl-Schalters. Dazu werden Kabel mit Prüfspitzen (8a, 8b) an die Buchsen (4a, 4b) angesteckt. Die Schutzschaltung verbindet die Stromquelle (SSW) nur dann, wenn der Prüfvorgang gestartet wurde und keine Spannung zwischen den beiden Buchsen anliegt. Dies wird durch die Spannungsmessvorrichtung (6) mit nachgeschalteter Komparatorlogik bewerkstelligt. In der Spannungsmessvorrichtung (6) ist ein Brückengleichrichter integriert, da die Spannung zwischen den Buchsen (4a, 4b) beide Polaritäten aufweist. Wenn zwischen den Buchsen (4a, 4b) ein Kondensator zur Dämpfung der auftretenden Schwingung und Überspannung beim Öffnen des Kontakts vorgesehen ist, sollte dieser über eine bidirektionale Suppressordiode angekoppelt werden, damit beim Prüfbetrieb nicht ein Teil des Stroms der Stromquelle (SSW) über diesen Kondensator fließt und das Ergebnis verfälscht. Über die dritte Buchse (4c) kann ein weiteres Kabel mit Prüfspitze angeschlossen werden. Schließt man dieses an einen weiteren Anschluss des Fl-Schalters, so kann man die Netzspannung erfassen und durch Bestimmung der Netznulldurchgänge einen zeitlichen Bezug des über (4a, 4b) eingespeisten Stroms zur Netzspannung erzielen (Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und eingespeistem Strom). Hierzu kann es sinnvoll sein, die Prüfspitzen in einer Halterung anzuordnen, damit man beim Prüfvorgang nur eine Hand zum Anschluss an den Fl-Schalter benötigt. In der Einheit (7) werden das/die Spannungssignal/e mit Komparatoren ausgewertet und mit der Ablaufsteuerung des Mikrocontrollers verknüpft. Das Gerät kann z.B. mit einem Gurt getragen werden, damit der/die Prüfende beide Hände freihat. Bei einem Kabel mit Prüfspitze wird man eine zusätzliche Steuerleitung mitführen, damit man mittels eines Tasters nach dem Kontaktieren des Prüfobjekts den Prüfvorgang einfach auslösen kann.

[0012] Fig. 2 zeigt eine Skizze des Prüfspitzenhalters. Durch das obere Loch und durch das

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AT 521 604 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt untere mittlere Loch werden die Prüfspitzen der Buchsen (4a, 4b) gerastet. Die beiden äußeren unteren Löcher symbolisieren die Rastung für die weitere Prüfspitze (10) der unteren Buchse (4c). Der Strom wird an den N-Klemmen des Fl-Schalters eingespeist. Benötigt man auch die

Netzspannung, so muss auch eine Phase miterfasst werden und diese kann nun rechts oder links von den Klemmen des N-Leiters angeordnet sein.

[0013] Fig. 3 zeigt die Schutzschaltung, mit der der Strom an die Kontakte freigegeben und wieder getrennt wird. Der eigentliche Schalter besteht aus zwei antiseriell geschalteten MOSFET Transistoren (S1, S2). Die beiden Gateanschlüsse sind zusammengeschaltet. Die Treiberschaltung (11) trennt das Steuersignal (U_s) potentialmäßig von der restlichen Steuerelektronik und wird von einem eigenen, potentialgetrennten DC/DC Wandler (12) versorgt. Zum besseren Verständnis ist die Innenschaltung prinzipiell skizziert. Zwischen den beiden Anschlussbuchsen (4a, 4b) befindet sich die bidirektionale Suppressordiode (13) für die hohe Spannung, am Ausgang des Spannungs-Stromwandlers (SSW) befindet sich die bidirektionale Suppressordiode (14) für die niedrige Spannung.

[0014] Fig. 4 skizziert eine Möglichkeit zur Realisierung des Spannungs-Stromwandlers (SSW). Die Stromquelle besteht aus einem Operationsverstärker und fünf Widerständen (R1 - R5). Der Operationsverstärker wird mit positiver und negativer Spannung versorgt. Die positive Spannung wird die Spannung für die Steuerelektronik sein, die negative Spannung wird mittels Ladungspumpe oder kleinem DC Wandler erzeugt. Muss die Spannung für die Elektronik stabilisiert werden, oder ist die Batteriespannung zu klein, wird man aus der Batteriespannung mittels eines DC/DC Wandlers gleich beide Spannungen erzeugen. Die Dioden, die vom Ausgang der Stromquelle (zwischen R5 und R6) zu den Betriebsspannungen geschaltet sind, ermöglichen im Zusammenspiel mit R6, an den dann direkt der AC-Schalter gebildet aus S1 und S2 angeschlossen ist, dass die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers nur geringfügig über die Betriebsspannung steigen kann. Man sieht auch, dass die ganze Steuerelektronik auf die Buchse (4b) bezogen ist. Führt man den Widerstand R5 als z.B. digital stellbaren Widerstand aus, so kann man, da mit diesem Widerstand der Strom festgelegt wird, den SpannungsStromwandelfaktor veränderlich machen.

[0015] Um zu erkennen, dass der Prüfstrom auszuschalten ist, gibt es zwei Möglichkeiten. Einerseits kann man den fließenden Strom über den Spannungsabfall an einem Widerstand, hierzu bieten sich R5 bzw. R6 an, messen und wenn dieser unter eine Schwelle gesunken ist, erkennbar mittels Komparator, die Quelle abdrehen oder andererseits kann man die Spannung am Ausgang der Stromquelle erfassen. Wenn der Stromkreis unterbrochen ist, steigt oder fallt die Ausgangsspannung auf nahezu eine der Betriebsspannungen. Dies kann leicht mittels Komparator erkannt werden und damit das Ausschalten der Stromquelle über den μθ verursacht werden.

[0016] Die Spannungserfassung (6) kann durch ein fertiges Messmodul oder einfach aus einem Spannungsteiler bestehen.

[0017] Die Aufgabe eine Prüfvorrichtung für beliebige Fl-Schalter zu realisieren geschieht erfindungsgemäß dadurch, dass mittels eines Mikrokontrollers (μθ) eine beliebige Spannungsform vorgebbar ist, die über einen Digital-Analog-Converter (DAC) an den Eingang eines Spannungs-Stromwandlers (SSW) geschaltet ist und der Strom des Spannungs- Stromwandlers (SSW) wird, wenn die Überprüfung gestartet wird, über eine zwischengeschaltete Schutzschaltung (5) mittels Prüfklemmen (8a, 8b) an einen Kontakt, empfehlenswerter Weise beim N-Leiter, sowohl netz- wie lastseitig des Fehlerstromschutzschalters (Fl) eingeprägt wird und wenn mittels Spannungserfassung (6) am sich öffnenden Kontakt und nachgeschalteter Komparatorlogik (7) erkannt wird, dass die Spannung einen bestimmten Schwellwert übersteigt, die Schutzschaltung (5) den Ausgang des Spannungs-Stromwandlers (SSW) zu den Buchsen (4a, 4b) unterbricht.

[0018] Zum Schutz der Vorrichtung ist eine Schutzschaltung durch einen AC-Schalter mit potentialfreier Ansteuerung vorgesehen und zwischen den Buchsen (4a, 4b) wird eine bidirektionale (13) oder zwei antiseriell geschaltete unidirektionale Suppressordiode/n geschaltet.

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AT 521 604 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt [0019] Zur Erzeugung des Prüfstroms wird eine Vorrichtung derart verwendet, dass der Spannungs- Stromwandler (SSW) durch eine spannungsgesteuerte Stromquelle mittels Operationsverstärker realisiert ist, die durch eine Diode, deren Anode an den Ausgang der Stromquelle geschaltet ist und deren Kathode mit der positiven Versorgungsspannung des Operationsverstärkers verbunden ist und durch eine Diode, deren Kathode an den Ausgang der Stromquelle geschaltet ist und deren Anode mit der negativen Versorgungsspannung des Operationsverstärkers verbunden ist und mit einer bidirektionalen (14) oder zwei antiseriell geschalteten unidirektionalen Suppressordiode/n zwischen Ausgang der Stromquelle und Bezugspunkt der Elektronik an der zweiten Buchse (4b) geschützt wird und durch Erfassung des Stroms mittels Stromerfassungsvorrichtung, beispielweise durch einen Shunt (R6), der ausgegebene Strom erfasst und der Ein/Ausgabeeinheit (E/A) zugeführt wird und durch Veränderung des Spannungsstromwandelfaktors der Stromquelle, beispielweise durch einen digital stellbaren Widerstand (R5) eine weitere Beeinflussungsmöglichkeit des Prüfstroms vorhanden ist, und dass das Abschalten der Stromquelle nach Öffnen des Kontakts des Fl-Schalters aus der geringen oder nicht mehr vorhandenen Spannung am Shunt, oder durch das Ansteigen der Spannung am Ausgang des Spannungs-Stromwandler (SSW) bis nahe zu einer Betriebsspannung mittels Komparator erkannt, verursacht wird.

[0020] Um eine einstellbare Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und Prüfstrom zu ermöglichen wird die Schaltung derart erweitert, dass mittels der dritten Buchse (4c) eine weitere Prüfspitze (10) angeschlossen wird, mit der auf eine Phasenspannung kontaktiert werden kann und damit die Spannung einer Phase über die Spannungserfassungsvorrichtung (6) erfasst und mittels Komparatorlogik die Nulldurchgänge der Netzspannung erkannt werden, um das Einspeisen des Stroms in Bezug auf den Spannungsnulldurchgang durch einen Zähler einstellbar zu gestalten. Um dabei die Kontaktierung der Prüfspitzen mit einer Hand zu ermöglichen, werden die Prüfspitzen (8a, 8b, 10) in eine Halteplatte mit Griff eingerastet, wobei die Abstände der Löcher den Abständen der Anschlüsse von Fl- Schaltern entsprechen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Überprüfung eines Fehlerstromschutzschalters, bestehend aus einem Gehäuse (1) mit appliziertem Bedienfeld und Display (2), mit eingebauter Stromversorgung (3) mit Batterien, Buchsen (4a, 4b, 4c) zum Anschluss der Prüfspitzen (8a, 8b, 10), Sicherung und Steuerelektronik dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Mikrokontrollers (μθ) eine beliebige Spannungsform vorgebbar ist, die über einen Digital-Analog-Converter (DAC) an den Eingang eines Spannungs- Stromwandlers (SSW) geschaltet ist und der Strom des Spannungs-Stromwandlers (SSW) wird, wenn die Überprüfung gestartet wird, über eine zwischengeschaltete Schutzschaltung (5) mittels Prüfklemmen (8a, 8b) an einen Kontakt, empfehlenswerter Weise beim N-Leiter, sowohl netz- wie lastseitig des Fehlerstromschutzschalters (Fl) eingeprägt wird und wenn mittels Spannungserfassung (6) am sich öffnenden Kontakt und nachgeschalteter Komparatorlogik (7) erkannt wird, dass die Spannung einen bestimmten Schwellwert übersteigt, die Schutzschaltung (5) den Ausgang des Spannungs-Stromwandlers (SSW) zu den Buchsen (4a, 4b) unterbricht.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung durch einen AC-Schalter mit potentialfreier Ansteuerung erfolgt und zwischen den Buchsen (4a, 4b) eine bidirektionale (13) oder zwei antiseriell geschaltete unidirektionale Suppressordiode/n geschaltet ist/sind.

3. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs-Stromwandler (SSW) durch eine spannungsgesteuerte Stromquelle mittels Operationsverstärker realisiert ist, die durch eine Diode, deren Anode an den Ausgang der Stromquelle geschaltet ist und deren Kathode mit der positiven Versorgungsspannung des Operationsverstärkers verbunden ist und durch eine Diode, deren Kathode an den Ausgang der Stromquelle geschaltet ist und deren Anode mit der negativen Versorgungsspannung des Operationsverstärkers verbunden ist und mit einer bidirektionalen (14) oder zwei antiseriell geschalteten unidirektionalen Suppressordiode/n zwischen Ausgang der Stromquelle und Bezugspunkt der Elektronik an der zweiten Buchse (4b) geschützt wird und durch Erfassung des Stroms mittels Stromerfassungsvorrichtung, beispielweise durch einen Shunt (R6), der ausgegebene Strom erfasst und der Ein/Ausgabeeinheit (E/A) zugeführt wird und durch Veränderung des Spannungsstromwandelfaktors der Stromquelle, beispielweise durch einen digital stellbaren Widerstand (R5) eine weitere Beeinflussungsmöglichkeit des Prüfstroms vorhanden ist, und dass das Abschalten der Stromquelle nach Öffnen des Kontakts des Fl-Schalters, erkannt aus der geringen oder nicht mehr vorhandenen Spannung am Shunt, oder durch das Ansteigen des Betrags der Spannung am Ausgang des Spannungs-Stromwandler (SSW) bis nahe zu einer Betriebsspannung mittels Komparator und über die Steuerelektronik verursacht wird.

4. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass mittels der dritten Buchse (4c) eine weitere Prüfspitze (10) angeschlossen wird, mit der auf eine Phasenspannung kontaktiert werden kann und damit die Spannung einer Phase über die Spannungserfassungsvorrichtung (6) erfasst und mittels Komparatorlogik die Nulldurchgänge der Netzspannung erkannt werden, um das Einspeisen des Stroms in Bezug auf den Spannungsnulldurchgang durch einen Zähler einstellbar zu gestalten.

5. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfspitzen (8a, 8b, 10) in eine Halteplatte mit Griff eingerastet werden, wobei die Abstände der Löcher den Abständen der Anschlüsse von Fl-Schaltern entsprechen.