DE1053639B

DE1053639B - Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Anlagen

Info

Publication number: DE1053639B
Application number: DEST11532A
Authority: DE
Inventors: August Stuke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-08-13
Filing date: 1956-08-13
Publication date: 1959-03-26

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1053

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:

AUSGABE DER
PATENTSCHRIFT:

DBP 1053639 kl. 21 c 68/70

INTERNAT. KL. H 02 d

13.AUGUST 1956

26. MÄRZ 1959
17. SEPTEMBER 1959

STIMMT ÜBEREIN MIT AUSLEGESCHRIFT 1 05Ϊ 639 (St 115S2 VIII b / 21 c)

Die Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen zum Schutz elektrischer Anlagen durch Abschalten beim Auftreten von Fehlerströmen.

Die meisten bekannten Fehlerstromschutzschaltungen arbeiten nach dem Arbeitsstromprinzip und sprechen nur dann an, wenn der Nulleiter betriebsmäßig vorhanden ist und mindestens eine beliebige Phase Spannung führt oder mindestens eine bestimmte Phasenleitung vorhanden ist. Die nach diesem Prinzip entwickelten Schutzschaltungen haben den Nachteil, daß beim Ausfall des Nulleiters von der Speisungsseite her die Schaltungen wirkungslos sind und nicht die gewünschte Abschaltung ergeben. Auch wenn der Nulleiter durch irgendwelche äußeren Umstände, z.B. bei Sturmschäden, die Spannung einer Phase annimmt, schaltet die Anlage nicht ab, wie dies an sich erwünscht wäre. Bei einer bekannten Anordnung genügt auch schon der Ausfall der einen speisenden Phase, um die Schutzschaltung wirkungslos zu machen.

Bei Gewitter und durch Sturmschäden fallen häufig in Freileitungen einzelne Phasen und auch der Nullleiter aus. Tritt dann in einer Anlage ein Isolationsfehler auf, so kann in diesen Fällen keine Abschaltung der zu schützenden Anlage erfolgen. Auch kann es vorkommen, daß der Nulleiter unterbrochen ist und das Potential der Phase angenommen hat, die zur Betätigung der Auslösespule benötigt wird. Auch hierbei kann wie im vorstehenden Fall keine Abschaltung des Schalters erfolgen; ähnliche Verhältnisse treten auch bei Fehlerstromschutzschaltungen auf, die ein Thyratron als Zwischenglied benutzen. Zusätzlich treten hierbei noch in Kraftanlagen, in denen Kondensatoren zur Erhöhung des Leistungsfaktors eingebaut sind, bei ordnungsmäßiger Anlage öfter unerwünschte Abschaltungen ein.

Beim Auftreten plötzlicher starker Erdschlüsse in den zu schützenden Anlagen bzw. beim Auftreten von Spitzenspannungen, die durch atmosphärische Einflüsse hervorgerufen werden, ergeben sich in der Seku-ndärwicklung des Wandlers Spannungen, die zu Isolationsschäden der Wicklung führen können und die Abschaltung des Fehlerstromschalters in Frage stellen. Um eine Kontrolle über die Funktion des Fehlerstromschalters zu haben, ist es bekannt, eine Prüfeinrichtung vorzusehen, die aber in den meisten Fällen vom Anlagebesitzer nicht laufend kontrolliert wird.

Es ist bekannt, sich bei derartigen Schaltungsanordnungen eines Differenzwandlers und eines in Abhängigkeit von den im Differenzwandler auftretenden Strömen ausgelösten Schalters zu bedienen. Ein derartiger bekannter Schalter enthält einen Permanentmagneten mit zwei Wicklungen. Die eine Wick-Schaltungsanordnung
zum Schutz elektrischer Anlagen

Patentiert für:

August Stuke,
Oberbecksen bei Bad Oeynhausen

August Stuke, Oberbecksen bei Bad Oeynhausen,
ist als Erfinder genannt worden

lung soll die genügende Empfindlichkeit des Schalters erreichen, indem das Feld permanenter Magneten so weit geschwächt wird, daß der Anker gerade noch festgehalten wird. Tritt ein Fehlerstrom hinzu, dann wird durch die zweite Wicklung das Magnetfeld weiter geschwächt, so daß der Anker abfällt. Die Wirkungen der ersten und zweiten Wicklung addieren sich dabei. Diese Ausführung hat den Nachteil, daß schon beim Ausfall einer bestimmten Phase der Schalter nicht mehr bei der vorschriftsmäßigen Auslösestromstärke ausgelöst wird, da die Schwächung des Magneten im Sinne des Fehlerstromes durch die eine Spule ausfällt. Fällt die Spannung völlig aus, so wird der Schalter nicht betätigt, da das permanente Magnetfeld bestehenbleibt.

Es sind ferner Schutzschaltungen bekannt, die nur auf Fehlerspannungen reagieren. Das bedeutet aber, daß sie nur bei ausreichender Isolation des zu schützenden Verbrauchers richtig arbeiten. Eine unerwünschte Querverbindung des zu schützenden Verbrauchers zur Erde, die häufig z. B. bei Heißwasserspeichern nicht zu verhindern ist, stellt bei diesen Schaltungen einen bedenklichen Mangel an Sicherheit dar. Es kann nämlich vorkommen, daß bei einer bestimmten Größenordnung der Querverbindung zur Erde die Abschaltung der zu schützenden Anlage erst dann erfolgt, wenn ein urzulässig starker Fehlerstrom vom Verbraucher zur Erde fließt (z. B. Brandgefahr in der Landwirtschaft).

909 603/247

Die Erfindung macht von einer Auslösesperre für den Schalter Gebrauch, die mit einem Betätigungsorgan in Verbindung steht, das bei normalem Betriebszustand durch eine Ruhestromspeisung an der Betätigung verhindert wird.

Gemäß der Erfindung werden die obenerwähnten Nachteile der bekannten Schaltungen dadurch beseitigt, daß die bei einem Körperschluß am Differenzwandler auftretende Spannung eine aus einer oder allen Netzphasen und dem Nulleiter entnommene Ruhespannung kompensiert und damit die Abschaltung der Anlage mit Hilfe eines elektrostatischen Relais nach dem Johnsen-Rahbeck-Effekt über eine Auslösesperre bewirkt.

Bei dieser Schutzschaltung besteht die Möglichkeit, den größten Teil der Schaltelemente des Schutzschalters unter ständige Kontrolle zu bekommen. Ferner kann der Schutzschalter nach dieser Schaltungsanordnung bei kleinsten Auslösestromstärken und großer Schaltleistung ohne Schwierigkeiten gebaut werden. Sie spricht ferner auch bei Ausfall der Netzspannung an. Der Schalter kann während eines Netzausfalls nicht wieder eingeschaltet werden, weil die Auslösesperre wegen der fehlenden Ruhespannung sofort wieder auslöst.

Bei einer zweipoligen Anlage sind die Ruhespannung und die aus dem Differenzwandler entnommene Kompensationsspannung Wechselspannungen. Die durch den Fehlerstrom entstandene Spannung in der Sekundärwicklung des Differenzwandlers hat gegenüber der Ruhewechselspannung eine Phasenverschiebung von 180° und kann somit zur Kompensation benutzt werden.

Bei Kraftanlagen, die längere Zeit ohne Kontrolle laufen, ist es oft erwünscht, beim Ausfall der Stromzuführung vom Netz eine selbsttätige Abschaltung vom Netz zu gewährleisten. In großen Beleuchtungsanlagen (4-Leiter-Anschluß), besonders bei Leuchtstoffröhrenanlagen, die durch Kondensatoren kompensiert sind, tritt bei Unterbrechung des Nulleiters im Netz eine Überspannung an den Verbrauchern auf, die zur Zerstörung führt. In diesen Fällen tritt die Schutzschaltung in Funktion.

Bei dem elektrostatischen Relais nach dem Johnsen-Raihbeck-Effekt handelt es sich um ein Relais, das die elektrostatische Anziehung zwischen zwei Belegungen ausnutzt. Das Grundprinzip eines derartigen Relais ist ζ B. in der deutschen Patentschrift 442 274 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen-Standes ist in der Zeichnung dargestellt.

Das zu schützende Gerät ist hierbei über einen selbsttätigen allpoligen Schalter c angeschlossen. Entsprechend der Anzahl der betriebsmäßigen Leiter der zu schützenden Anlage hat der Wandler i mehrere Primärwicklungen. Beim ordnungsmäßigen Zustand der Anlage ohne Isolationsfehler ist die Summe der Ströme in der Gesamtheit der zum Betrieb benötigten Leiter in jedem Moment gleich Null, und zwar unabhängig davon, ob die Belastung symmetrisch oder unsymmetrisch ist. Bei normalen Betriebsverhältnissen wird also im Eisenkörper des Wandlers i kein magnetisches Feld erzeugt und somit keine Spannung in der Sekundärwicklung k induziert. Tritt jedoch an einem der Geräte I der elektrischen Anlage ein Körperschluß auf und steht das Gerät / mit der Erde in gut leitender Verbindung, dann fließt der Fehlerstrom auch durch die Primärwicklung des Wandlers i. Die Rückleitung des Fehlerstromes geschieht jetzt über die Trafoerde. Durch diese entstandene Unsymmetrie wird im Eisenkern des Wandlers i ein magnetisches Feld und somit in der Sekundärwicklung k eine Spannung hervorgerufen (Abb. 1).

Diese Spannung wird nun auf ein Metall-Halbleiter-System b, α gegeben und kompensiert die zuvor zum Einschalten und zur Sperrung des Schalters c benötigte Speisung I (Abb. 2).

Die Funktion des als elektrostatisches Relais nach dem Johnsen-Rahbeck-Effekt ausgebildeten Fehlerstromschalters beruht auf der Ausnutzung der elektrostatischen Anziehung. Das Relais enthält z. B. ein Metallband b, welches um einen Halbleiter a, wie z. B. Schiefer oder Achat, gespannt wird. Führt man einem solchen System Spannung zu, so tritt eine starke Anziehungskraft zwischen Metallband b und Halbleiter α auf.

Nach Fortfall der Spannung ist die Anziehung zwisohen Halbleiter α und Metallband b wieder normal.

Der Ruhestrom fließt nun nach Einschalten des Schalters c bei normalen Betriebsverhältnissen über die Widerstände m, Gleichrichter n, Sternverbindung der drei Phasen zum Metallband b, durch den Halbleiter α zur Achse e und weiter zum Nulleiter zurück. Hierdurch ist die ständige Einschaltung des Schalters c durch die Sperrung / sichergestellt.

Der Fehlerstrom (Speisung II), der entgegengesetzt gegenüber der Speisung I im Halbleiter ο von der Sekundärwicklung des Wandlers k über einen Gleichrichter d auf die Metallachse e, Halbleiter α zum Metallband b und zur Sekundärwicklung k zurückfließt, kompensiert dadurch den Ruhestrom (Speisung I) im Halbleiter α und hebt damit die starke Anziehungskraft zwischen Metallband b und feststehendem Halbleiter α auf. Die stärkere Federkraft h bewirkt gegenüber der schwächeren Federkraft g die Entsperrung f und somit die Ausschaltung des Schalters c. Für die Konstanthaltung der Gleichspannung der Speisung I und II sind Kondensatoren ο und p vorgesehen.

Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit des Schaltbildes nach Abb. 1 und 2 sind andere Bauelemente, wie z. B. für die Prüfeinrichtung auf Funktion des Fehlerstromschalters, fortgelassen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Anlagen durch Abschalten beim Auftreten von Fehlerströmen mit Hilfe eines Differenzwandlers und eines in Abhängigkeit von den im Differenzwandlei auftretenden Strömen ausgelösten Schalters, dessen Auslösesperre mit einem Betätigungsorgan in Verbindung steht, das bei normalem Betriebszustand durch eine Ruhestromspeisung an der Betätigung verhindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die bei einem Körperschluß am Differenzwandler auftretende Spannung eine aus einer oder allen Netzphasen und dem Nulleiter entnommene Ruhespannung kompensiert und damit die Abschaltung der Anlage mit Hilfe eines elektrostatischen Relais nach dem Johnsen-Rahbeck-Effekt über eine Auslösesperre bewirkt.

2. Schal tungsanordnumg nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zweipoligen Anlage die Ruhespannung und die aus dem Differenzwandler entnommene Kompensationsspannung Wechselspannungen sind.

3. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung so getroffen ist, daß bei Drehstrombeleuchtungsanlagen bei einer Unterbrechung des Null-

leiters von der Netzseite aus eine sofortige Abschaltung der nachgeschalteten Anlage erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 709 687, 506 749, 309, 454 198, 442 274;

schweizerische Patentschriften Nr. 239 632, 178668;

österreichische Patentschrift Nr. 178 668; Bugmann: Experimental-Physik, Berlin, 1950, 5 S. 130;

F. u. G. Rundschau, 1952, S. 105 bis 118.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen