DE1638059C3

DE1638059C3 - Fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: DE1638059C3
Application number: DE19681638059
Authority: DE
Inventors: Heinz Littau Zimmermann (Schweiz)
Original assignee: Landis and Gyr AG
Current assignee: Landis and Gyr AG
Priority date: 1967-12-29
Filing date: 1968-01-17
Publication date: 1974-07-25
Also published as: DE1638059B2; GB1201877A; CH460922A; DE1638059A1; AT305421B; FR1569741A; NL6816846A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Fehlerstromschutzschalter mit einem Summenstromwandler, dessen Sekundärspannung einen mit Gleichstrom gespeisten Oszillator beeinflußt, der eine Wechselspannung erzeugt, welche über einen Transformator mit galvanisch getrennten Wicklungen ein Auslöserelais speist, (deutsche Auslegeschrift 1 059 551).

Bekannte Fehlerstromschutzschalter weisen einen Summenstromwandler auf, über welchen sämtliche zwischen einem Wechselstromnetz und einem Verbraucher hin- und zurückfließenden Ströme geleitet werden. Tritt z. B. durch einen Isolationsfehler eines am Netz angeschlossenen Apparates ein Fehlerstrom auf, so fließt in der Sekundärwicklung des Summenstromwandler ein Differenzstiom, der unmittelbar oder über einen Verstärker ein Auslöserelais betätigt.

Wenn ein Mensch mit einem fehlerhaften Apparat in Berührung kommt, so hängt sein Leben vom zuverlässigen Arbeiten des Fehlerstromschutzschalters ab. Eine besondere Gefahr besteht darin, daß sich der Mensch durch das Vorhandensein eines Fehlerstromschutzschalters, der beim Auftreten eines lebensgefährlichen Fehlerstromes vielleicht gar nicht anspricht, in Sicherheit wiegt.

Fehlerstromschutzschalter können aus mannigfachen Gründen versagen. Insbesondere bei bekannten Anordnungen, die eine elektronische Schaltung mit vielen Komponenten aufweisen, ist die Ausfallwahrscheinlichkeit groß. Als Ausfallkriterien im Verstärker fallen Änderungs- und Totalausfälle der elektronischen Bauteile in Betracht, wobei es sich um Kurzschlüsse, Unterbrüche, Verlust der Sperrfähigkeit oder um Parameteränderungen handeln kann. Es sind aber auch Fehler in der Verdrahtung, z. B. schlechte Lötstellen, denkbar.

Aus den genannten Gründen ist es unbedingt erforderlich, daß sich der Fehlerstromschutzschalter selbst überwacht, d. h., er muß nicht nur beim Auftreten eines Fehlerstromes auslösen, sondern auch dann, wenn er selber nicht mehr voll funktionsfähig ist.

Bekannte Fehlerstromschutzschalter erfüllen die Forderung nach Selbstüberwachung nur mangelhaft. Sie sind so ausgelegt, daß sie entweder bei Kurzschluß oder bei Unterbruch des elektronischen Verstärkerelementes, das meistens ein Transistor ist, ansprechen. Beide Ausfallkriterien gleichzeitig oder weitere Fehlermöglichkeiten werden nicht selbständig überwacht.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 190 554 ist ein Fehlerstromschutzschalter mit einem Oszillator als elektronischer Verstärker bekanntgeworden. In den Basiskreis des Verstärkertransistors ist die eine und in dessen Kollektorkreis die andere Wicklung eines beide Kreise koppelnden Kerntransformators geschaltet. Beim Auftreten eines Fehlerstromes wird im Kollektorkreis des Transistors ein Wechselstrom aufgeschaukelt, der das Auslöserelais zum Ansprechen bringt. Diese bekannte Schaltungsanordnung ist insofern eigensicher, als bei einem Kurzschluß der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors das Auslöserelais ebenfalls anspricht. Andere Fehlermöglichkeiten dieser Schaltung werden nicht überwacht.

Ferner ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 059 551 ein Fehlerstromschutzschalter mit einem Summenstromwandler bekannt, dessen Sekundärspannung einen mit Gleichstrom gespeisten Oszillator beeinflußt, Der als Verstärker arbeitende Oszillator ist so eingestellt, daß er nicht schwingt, solange kein Fehlerstrom fließt. Er beginnt erst zu schwingen, wenn im Summenstromwandler ein Differenzstrom auftritt. Bei einem Ausfall des Oszillators kann dadurch ein Fehlerstrom nicht mehr weitergemeldet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fehlerstromschutzschalter zu schaffen, der größtmögliche Eigensicherheit aufweist.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Fehlerstromschutzschalter erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Oszillator so eingestellt ist, daß

seine Schwingbedingungen nur erfüllt sind, wenn die in der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers induzierte Spannung unter einem vorgegebenen Wert verbleibt.

Dadurch wird erreicht, daß der Oszillator bei sei- 5 nem Ausfall, bei Kurzschluß und bei Unterbrechung ein Signal auslöst, wodurch die Eigensicherheit gegenüber den bisher bekannten Fehlerstiomschutzschaltern ganz erheblich erhöht wird.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele 10 der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 tin Prinzipschaltbild eines Fehlerstromschutzschalters,

F i g. 2 ein Schaltbild eines Oszillators und 15

F i g. 3 ein Schaltbild eines Fehlerstromschutzschalters.

In der F i g. 1 ist ein PrinzipschJtbild eines Fehlerstromschutzschalters dargestellt, der Leiter I bis 4 eines Wechselstromnetzes überwacht. Von Strömen der Leiter 1 bis 4 durchflossene Primärwicklungen 5 gehören einem Summenstromwandler 6 an, dessen Sekundärwicklung 7 an Eingangsklemmen 8 und 9 eines Oszillators 10 angeschlossen sind. Der Oszillator 10 ist derart aufgebaut und bemessen, daß er nur s» dann schwingt und daß an Ausgangsklemmen 11 und nur dann eine Wechselspannung «., entsteht, wenn die Spannung w, zwischen den Eingangsklemmen 8 und 9 unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt. Die Ausgangsklemmen 11 und 12 sind an eine Eingangswicklung 13 eines Transformators 14 gelegt, dessen Ausgangswicklung 15 an ein Auslöscrelais 16 angeschlossen ist, welches hier ein Wechselstromrelais ist und das anspricht, wenn der Oszillator 10 schwingt.

Beim Auftreten eines Fehlerstromes wird in der Sekundärwicklung 7 des Summenstromwandlers 6 eine Spannung u, induziert, wodurch das Oszillieren des Oszillators 10 aussetzt, das Auslöserelais 16 abfällt und der in der Zeichnung nicht dargestellte Verbraucher vom Wechselstromnetz abgeschaltet wird.

Das Auslöserclais 16 fällt ebenfalls ab, wenn beim Oszillator 10 ein Fehler irgendwelcher Art auftritt, wenn die Speisespannung des Oszillators 10 zu klein ist oder wenn eine der Wicklungen des Transformators 14 einen Unterbruch oder einen Kurzschluß aufweist. Es ist denkbar, daß infolge eines Kurzschlusses im Oszillator 10 zwischen den Ausgangsklemmen 11 und 12 an Stelle der Wechselspannung u., eine Gleichspannung auftritt. Wegen der galvanischen Trennung durch den Transformator 14 fällt das Relais 16 auch in diesem Fall ab.

In der Fig. 2 ist dargestellt, daß der Oszillator 10 der Fig. I vorteilhaft ein sogenannter Sperrschwinger sein kann. Gleiche Teile wie in der Fig. 1 sind in der Fig. 2 mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Eine Speiseklemme 17, die an einem in der Zeichnung nicht dargestellten Speisegerät angeschlossen werden kann, ist mit dem Emitter eines Transistors 18 verbunden, dessen Kollektor über eine Arbeitswicklung 19 eines Kerntransformators 20 an ei'ie Speiseklemme 21 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors 18 liegt über die Reihenschaltung einer Rückkopplungswicklung 22 des Kerntransformaiors 20 mit der Sekundärwicklung 7 des Summenstromwandlers 6 am Abgriff eines Spannungsteilers 23, der an die Speiseklemmen 17 und 21 angeschlossen ist. Der eine Teilwiderstand des Spannungsteilers 23 ist durch ein zur Einstellung der Ansprechempfindlichkeit des Fehlerstromschutzschalfers bestimmtes Potentiometer 24, der andere Teilwiderstand durch die Reihenschaltung einer der Temperaturkompensation dienenden Diode 25 mit einem Widerstand 26 gegeben. Der Kerntransformator 20 weist eine Ausgangswicklung 27 auf, welche über eine Gleichrichterdiode 28 am Auslöserelais 16, das hier ein Gleichstromrelais ist, und an einem Kondensator 29 angeschlossen ist. Zum Schutz des Transistors 18 vor hohen Induktionsspannungen liegt der Arbeitswicklung 19 die Reihenschaltung einer Diode 30 mit einem Widerstand 31, welcher zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Oszillators 10 dient, parallel.

Solange die in der Sekundärwicklung 7 des Summenstromwandlers 6 induzierte Spannung U₁ klein ist, führt der Oszillator 10 auf Grund der Rückkopplung zwischen dem Kollektor- und dem Basiskreis Rechteckschwingungen aus, deren Frequenz beispielsweise einige Kilohertz betragen kann. Die in der Ausgangswicklung 27 induzierte Spannung «., wird von den Elementen 28 und 29 gleichgerichtet und geglättet, so daß das Auslöserelais 16 angezogen ist.

Beim Auftreten eines Fehlerstromes entsteht eine dem Momentanwert des Fehlerstromes proportionale Spannung u_v welche eine Verschiebung des Arbeitspunktes des Transistors 18 bewirkt. Während eines Teiles einer negativen Halbwelle der Spannung U₁ reißt die Schwingung ab, wodurch das Auslöserelais 16 abfällt und der in der Zeichnung nicht dargestellte Verbraucher vom Netz abgeschaltet wird.

Die Verwendung des in der F i g. 2 dargestellten, über den Kerntransformator 20 rückgekoppelten Oszillators 10 ist besonders vorteilhaft und einfach, weil der Kerntransformator 20 gleichzeitig zur galvanischen Trennung des Stromkreises des Auslöserelais 16 vom Oszillatorstromkreis verwendet werden kann. Jede denkbare Fehlermöglichkeit im Oszillator 10 bewirkt, daß dieser nicht mehr schwingt, wodurch das Auslöserelais 16 abfällt. Nicht nur Unterbrüche oder Kurzschlüsse, sondern auch Parameteränderungen der einzelnen Elemente werden selbständig überwacht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, den Oszillator 10 (Fig. 1) derart aufzubauen und zu bemessen, daß er ebenfalls nicht schwingen kann, wenn der ohmsche Widerstand der Sekundärwicklung 7 einen vorgegebenen Wert über- oder unterschreitet. Dadurch werden die Selbstüberwachungseigenschaften des Fehlerstromschutzschalters sogar auf den Summenstromwandler 6 ausgedehnt, denn auch bei einem Unterbruch oder einem Kurzschluß der Sekundärwicklung 7 hört der Oszillator 10 auf zu schwingen, und das Auslöserelais fällt ab. Die Wicklung 7 besteht dabei vorteilhaft aus Widerstandsdraht.

Ein Ausführungsbeispiel eines Fehlerstromschutzschalters mit einem derartigen Oszillator 10 ist in der Fig. 3 dargestellt. Die Basis des Transistors 18 ist mit dem Abgriff eines an die Speiseklemmen 17 und 21 angeschlossenen Spannungsteilers 32 verbunden, dessen einer Teilwiderstand durch das Potentiometer 24 und dessen anderer Teilwidersland durch die Reihenschaltung der aus Widerstandsdraht bestehenden Sekundärwicklung 7 mit einem NTC-Widerstand gegeben ist. Die mit der Serieschaltung der Elemente 30 und 31 überbrückte Arbeitswicklung 19 des Kerntransformators 20 befindet sich im Kollektorkreis des Transistors 18, die Rückkopplungswicklung 22 im

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Emitterkreis. Die Ausgangswicklung 27 ist über· die Gleichrichterdiode 28 am Auslöserelais 16 und am Kondensator 29 angeschlossen. Das Auslöserelais 16 steht in Verbindung mit einem Schaltscliloß 34, welches in die Leiter 1 bis 4 geschaltete Schaltkontakte 35 und einen Hilfskontakt 36 aufweist. Eine Akkuzclle 37 ist über den Hilfskontakt 36, der beim Schließen des Schaltschlosses 34 vor den Schaltkontakten 35 schließt, an den Speiseklemmen 17 und 21 angeschlossen. Die Speiseklemme 17 ist über eine Diode 38 mit dem Leiter 4 und die Speiseklemme 21 über einen Strombegrenzungswidersland 39 mit dem Leiter 3 verbunden.

Der Oszillator 10 führt Rechteckschwingunger aus, solange er voll funktionsfähig ist, die Sekundär wicklung 7 keinen Kurzschluß oder Unterbruch aufweist und solange kein Fehlerstrom vorhanden ist Beim Auftreten eines Fehlerstromes oder eines De fcktes der Sekundärwicklung 7 wird der Arbeitspunk des Transistors 18 derart verschoben, daß das Oszil liercn aussetzt und das Auslöserclais 16 abfällt. Da durch löst das Schaltschloß 34 aus, und der Verbrau

ίο eher wird vom Netz abgeschaltet. Gleichzeitig win die Akkuzelle 37 von der Speiseklemme 17 des Oszil lators 10 abgetrennt, damit sie sich nicht entladei kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fehlerstromschutzschalter mit einem Summenstromwandler, dessen Sekundärspannung einen mit Gleichstrom gespeisten Oszillator beeinflußt, der eine Wechselspannung erzeugt, welche über einen Transformator mit galvanisch getrennten Wicklungen ein Auslöserelais speist, dadurchgekennzeichnet, daß der Osziilator (10) so eingestellt ist, daß seine Schwingbedingungen nur erfüllt sind, wenn die in der Sekundärwicklung (7) des Summenstromwandler (6) induzierte Spannung unter einem vorgegebenen Wert verbleibt.

2. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (10) so eingestellt ist, daß seine Schwingbedingungen nur erfüllt sind, wenn zusätzlich die Sekundärwicklung (7) des Summenstromwandler (6) einen vorgegebenen ohmschen Widerstand aufweist.

3. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (7) aus Widerstandsdraht besteht.

4. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (10) einen rückgekoppelten Transistor (18) enthält, in dessen Kollektorkreis eine Arbeitswicklung (19) und in dessen Basis- oder Emitterkreis eine Rückkopplungswicklung (22) eines Kerntransformators (20) angeordnet ist, und daß der Kerntransforrnator (20) eine Ausgangswicklung (27) aufweist, an welche das Auslöserelais (16) angeschlossen ist.

5. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (18) mit einem Abgriff eines an den Speiseklemmen (17; 21) des Oszillators (10) angeschlossenen Spannungsteilers (32), dessen einer Teilwiderstand durch die Sekundärwicklung (7) des Summenstromwandler (6) gebildet ist, verbunden igt.

6. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler

(32) einen temperaturabhängigen Widerstand

(33) aufweist.

7. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Speiseklemmen (17; 21) des Oszillators (10) über einen vom Auslöserelais (16) betätigten Hilfskontakt (36) mindestens eine Akkuzelle (37) angeschlossen ist.