DE19743900A1

DE19743900A1 - Fehlerstromschutzschalter sowie Meßverfahren zur Durchführung in einem Fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: DE19743900A1
Application number: DE1997143900
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schulze; Herbert Sack
Original assignee: Metrawatt Gossen GmbH
Current assignee: Metrawatt Gossen GmbH
Priority date: 1997-10-04
Filing date: 1997-10-04
Publication date: 1999-04-08

Description

Die Erfindung betrifft eine Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter zur Überwachung und Unterbrechung eines Stromnetzes beim Auftreten von Isolationsfehlern mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des Patentan spruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Meßverfahren zur Überwachung und Unterbrechung eines Stromnetzes beim Auftreten von Isolationsfehlern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.

Aus der DIN VDE 0702-1 ist es bekannt, Differenzstrommessungen zur Isolationsüberprüfung von elektrischen Geräten durchzuführen. Diese Mes sungen werden mit externen Meßgeräten durchgeführt, wobei es zur umfas senden Isolationsüberprüfung notwendig ist, sämtliche Betriebszustände des zu überprüfenden Gerätes zu aktivieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fehlerstromschutzschalter zur Isolationsüberprüfung sowie ein Meßverfahren zur Durchführung in ei nem Fehlerstromschutzschalter anzubieten, welche eine kontinuierliche Iso lationsüberprüfung ermöglichen.

Die Erfindung wird für den Fehlerstromschutzschalter durch den kennzeich nenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Fehlerstromschutzschalters werden in den Unteransprüchen 2-10 be schrieben. Hinsichtlich des Meßverfahrens wird die Aufgabe durch Patentan spruch 11 gelöst. Vorteilhafte Verfahrensvarianten werden in den Unteran sprüchen 12-18 beschrieben.

Der erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter beinhaltet eine Differenz strommeßeinrichtung und ermöglicht somit eine kontinuierliche Isola tionsüberprüfung des elektrischen Gerätes.

Während des Betriebs des elektrischen Gerätes kann eine Differenzstrom messung in sämtlichen Betriebsphasen erfolgen, ohne daß ein externes Meß gerät angeschlossen werden muß und die einzelnen Betriebsphasen allein zum Zweck der Isolationsüberprüfung aktiviert werden müssen.

Beim erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalter wird auch eine schlei chende Isolationsverschlechterung an einer Zunahme der ermittelten Diffe renzströme erkannt, so daß eine vorbeugende Behebung des Isolationsde fekts stattfinden kann.

Die Differenzstrommeßeinrichtung ist mit einer ebenfalls in den Fehlerstrom schutzschalter integrierten Steuereinrichtung verbundene, so daß eine Unter brechung des Stromnetzes durch die Steuereinrichtung erfolgen kann, wenn der gemessene Differenzstrom einen einstellbaren Schwellwert übersteigt.

Über eine Anzeigevorrichtung (z. B. Display, eine Warnlampe oder ein aku stisches Signal) kann mitgeteilt werden, welche Differenzstrommeßdaten vom Fehlerstromschutzschalter ermittelt wurden und ob diese Differenzströ me den vorgebbaren Schwellwert übersteigen.

Mehrere Fehlerstromschutzschalter können auch in einem Gesamtsystem über Datenverbindungen ein Datennetzwerk bilden, so daß z. B. über einen Zentralrechner eine Erfassung einer Vielzahl von Fehlerstromschutzschaltern mit sämtlichen betriebsrelevanten Daten ermöglicht wird.

Vorteilhafterweise dient die Steuereinrichtung zur Steuerung des gesamten Fehlerstromschutzschalters, so daß z. B. neben der Schwellwerteingabe für den Differenzstrom (z. B. 3-4 mA) auch eine Schwellwerteingabe für den tatsächlichen Fehlerstrom (z. B. 15-30 mA) zentral über die Steuereinrich tung stattfinden kann.

Eine programmierbare Steuereinrichtung erlaubt es, die Differenzstrom meßeinrichtung und/oder den gesamten Fehlerstromschutzschalter auf gerä te- oder netzspezifische Besonderheiten einzustellen.

Bei einer Auswertung der Meßdaten der Differenzstrommeßeinrichtung durch die Steuereinrichtung kann z. B. über ein integriertes Statistikpro gramm eine Aufbereitung erfolgen, welche Prognosen über das voraussichtli che Isolationsverhalten des elektrischen Gerätes in Abhängigkeit von den einzelnen Betriebs- und Netzzuständen ermöglicht, wodurch vorbeugend mit hoher Wahrscheinlichkeit auftretende Isolationsdefekte bereits im Ansatz er kannt und beseitigt werden können.

Die Differenzstrommeßeinrichtung kann nun direkt in einen Stromkreis ge schaltet werden, der aus einer den Magnetring des Summenstromwandlers umgebenden Sekundärwicklung sowie einer den Polschenkel eines Elektro magneten der Auslöseeinrichtung umgebenden Erregerwicklung besteht.

Falls die den Summenstromwandler durchsetzenden Ströme in ihrer Gesamt summe sich nicht gegenseitig aufheben (und somit ein Isolationsfehler vor liegt) erfolgt eine Magnetisierung des Summenstromwandlers, wodurch in den Stromkreis von Erregerwicklung und Sekundärwicklung sowie Diffe renzstromeinrichtung eine Spannung induziert wird und somit durch die Dif ferenzstrommeßeinrichtung ein Strom fließt.

Über die Differenzstrommeßeinrichtung kann direkt abgelesen werden, in welchem Umfang die den Summenstromwandler durchsetzenden Ströme sich nicht gegenseitig aufheben.

Beim Anschluß an eine separate, den Summenstromwandler umgebende Zu satzwicklung kann die Differenzstrommeßeinrichtung unabhängig von einem von Sekundärwicklung und Erregerwicklung gebildeten Stromkreis die Dif ferenzströme ermitteln.

Vorteilhafterweise ist der erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter mit einer Prüfeinrichtung zur Funktionsüberprüfung des Fehlerstromschutzschal ters vorgesehen, bei deren Betätigung ein ausreichender Differenzstrom und/oder Fehlerstrom zur Auslösung des Fehlerstromschutzschalters fließt.

Bei einer umschaltbaren Prüfeinrichtung kann ausgewählt werden, ob die Differenzstrommeßeinrichtung oder der gesamte Fehlerstromschutzschalter überprüft werden sollen.

Durch eine Einstellung des Betrags der fließenden Differenzströme und/oder Fehlerströme kann die Ansprechempfindlichkeit des Fehlerstromschutzschal ters sowie seiner Komponenten festgestellt werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird vorgeschlagen, eine Differenz strommessung durch einen Fehlerstromschutzschalter durchzuführen, wo durch der Einsatz separater Meßgeräte vermieden wird. Einige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit dem Fehlerstromschutzschalter beschrieben.

Zur kontinuierlichen Isolationsüberprüfung wird die Differenzstrommessung vorteilhafterweise in einstellbaren und insbesondere periodischen Zeitabstän den durchgeführt.

Bei einer Abspeicherung der ermittelten Differenzstrommeßdaten können aktuelle Meßdaten mit bereits abgespeicherten, z. B. zur statischen Auswer tung, verglichen werden.

Insbesondere kann eine kontinuierliche Abspeicherung des maximalen und des minimalen Differenzstrommeßwertes erfolgen, um die Bandbreite der ermittelten Differenzstrommeßwerte festzustellen.

Durch eine Auswertung ermittelter Differenzstrommeßdaten können Zu sammenhänge zwischen dem Isolationsverhalten des elektrischen Gerätes sowie den einzelnen Netz- und Betriebszuständen ermittelt werden.

Mittels statistischer Aufbereitung der ermittelten Differenzstrommeßdaten können Prognosen über das voraussichtlich auftretende Isolationsverhalten des elektrischen Gerätes zur vorsorglichen Beseitigung von Isolationsfehlern aufgestellt werden.

Derartige Prognosen können insbesondere bei einer Ermittlung der Anstiegs geschwindigkeit der ermittelten Differenzströme formuliert werden. Bei einer angenommenen Fortdauer der ermittelten Anstiegsgeschwindigkeit kann der Zeitpunkt, zu dem ein kritischer Differenzstrommeßwert erreicht wird, pro gnostiziert werden, so daß eine vorbeugende Behebung des Isolationsfehlers stattfinden kann.

Durch eine Programmierbarkeit des Gesamtfehlerstromschutzschalters bzw. einzelner Komponenten (z. B. Steuereinrichtung oder Differenzstrommeßein richtung) kann die Differenzstromermittlung/-auswertung z. B. individuell auf die einzelnen Betriebszustände des Gerätes abgestimmt werden. So kann immer dann, wenn sich das zu überprüfende Gerät in einem bestimmten Be triebszustand befindet, die jeweilige Differenzstrommessung durchgeführt werden, bis eine Isolationsüberprüfung sämtlicher Betriebszustände erfolgt ist.

Die bei separaten Meßgeräten notwendige Aktivierung sämtlicher Betriebs stufen des überprüfenden Gerätes ist somit nicht mehr erforderlich, da wäh rend des Betriebs des Gerätes eine Differenzstrommessung stattfinden kann.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfigu ren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Schaltbild eines Fehlerstromschutzschalters,

Fig. 2 ein weiteres Schaltbild eines Fehlerstromschutzschalters,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines Summenstromwandlers mit zugehöriger Auslöseeinrichtung sowie

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Summenstromwand lers mit zugehöriger Auslöseeinrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Fehlerstromschutzschalter 1 zur Isolationsüberprüfung ei nes über ein Schaltelement 7 aktivierbaren und Verbrauchers 6. Der Fehler stromschutzschalter 1 weist einen Summenstromwandler 5 aus magnetisier barem Material auf, durch den sämtliche stromführende Leiter, z. B. L1, L2 und L3, geführt werden.

Wenn keine Isolationsfehler vorliegen, heben sich die den Summenstrom wandler 5 durchsetzenden zu- und abfließende Ströme bei einer vektoriellen Addition auf.

Wenn jedoch wegen einem Isolationsfehler der Verbraucher 6 mit Erde ver bunden ist, wird das Stromgleichgewicht im Summenstromwandler 5 aufge hoben und es erfolgt eine Magnetisierung des Summenstromwandlers 5 ent sprechend der Höhe des auftretenden Erdstroms.

Durch die Magnetisierung des Summenstromwandlers 5 wird in die Sekun därwicklung 11 eine Spannung induziert, so daß über die Auslöseeinrichtung 4 das Schaltelement 16 des Fehlerstromschutzschalters 1 betätigt wird und der Verbraucher 6 vom Netz getrennt wird.

Nach Fig. 1 durchläuft der auftretende Differenzstrom die Differenzstrom meßeinrichtung 2, die mit der Steuereinrichtung 3 sowie einer Anzeigeein richtung 9 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 3 veranlaßt eine Aktivierung der Auslöseeinrichtung 4, falls der in der Differenzstrommeßeinrichtung 2 festgestellte Differenzstrom einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Da die Differenzströme (etwa 3-4 mA) deutlich unterhalb der tatsächlichen Fehlerströme (etwa 15-30 mA) liegen, kann durch die integrierte Diffe renzstrommessung nach Fig. 1 bereits ein beginnender Isolationsfehler ent deckt werden.

Durch die Prüfeinrichtung 15 mit dem Widerstand 17 kann die Funktionssi cherheit des Fehlerstromschutzschalters 1 und/oder der Differenzstrom meßeinrichtung 2 getestet werden. Über den veränderlichen Widerstand 17 können Fehlerströme unterschiedlicher Größe ins Netz eingeleitet werden, so daß sowohl die Differenzstrommeßeinrichtung 2 (mit Strömen von etwa 3-4 mA) als auch der gesamte Fehlerstromschutzschalter 1 (mit Strömen von et wa 15-30 mA) überprüft werden können.

Die Steuereinrichtung 3 kann zur Steuerung und Überwachung sämtlicher Einheiten des Fehlerstromschutzschalters 1 (z. B. auch der Prüfeinrichtung 15) dienen (entsprechende Leitungsverbindungen sind nicht eingezeichnet).

Während in Fig. 1 die Differenzstrommeßeinrichtung 2 in Reihe mit der Er regerwicklung 12 (vgl. Fig. 3) geschaltet ist, ist in einer weiteren Ausfüh rungsform nach Fig. 2 eine Zusatzwicklung 14 vorgesehen, an welche die Differenzstrommeßeinrichtung 2 angeschlossen ist. Über die Zusatzwicklung 14 nach Fig, 2 besitzt die Differenzstrommeßeinrichtung 2 einen separaten Stromkreis.

Die unterschiedlichen Anordnungen der Differenzstrommeßeinrichtung 2 nach Fig. 1 und 2 werden nochmals in Schnittdarstellungen in den Fig. 3 und 4 erläutert.

Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung des Summenstromwandlers 5, der von der Sekundärwicklung 11 umgeben ist, die mit der Differenzstrommeßeinrich tung 2 und der Erregerwicklung 12 einen Stromkreis bildet sowie den Elek tromagneten 13 der Auslöseeinrichtung 4.

Die Erregerwicklung 12 umfaßt den Polschenkel 18 des Elektromagneten 13 der Auslöseeinrichtung 4. Bei nicht-magnetisiertem Summenstromwandler 5 hält der Dauermagnet 19 im Elektromagneten 13 den Anker 20 unter Vor spannung der Feder 10, so daß das mit dem Anker 20 in Verbindung stehen de Schaltelement 16 nicht aktiviert ist.

Beim Ansprechen des Summenstromwandlers 5 wird eine Spannung in die Sekundärwicklung 11 induziert, so daß ein Strom durch die Differenzstrom meßeinrichtung 2 und die Erregerwicklung 12 fließt. Hierdurch wird der Elektromagnet 13 aktiviert und die Haltewirkung des Dauermagneten 19 auf den Anker 20 geschwächt. Durch die darauffolgende Auslösebewegung des Ankers 20 in Auslöserichtung 21 wird das nicht abgebildete Schaltelement 16 betätigt, so daß der Verbraucher 6 vom Netz getrennt wird.

Nach Fig. 4 besitzt die Differenzstrommeßeinrichtung 2 eine separate, den Summenstromwandler 5 umgebende Zusatzwicklung 14, so daß getrennte Auslösekreise für den Fehlerstrom (über die Sekundärwicklung 11) und den Differenzstrom (über die Zusatzwicklung 14) vorliegen.

Bezugszeichenliste

1

Fehlerstromschutzschalter

2

Differenzstrommeßeinrichtung

3

Steuereinrichtung

4

Auslöseeinrichtung

5

Summenstromwandler

6

Verbraucher

7

Schaltelement

8

Prüfeinrichtung

9

Anzeigevorrichtung

10

Feder

11

Sekundärwicklung

12

Erregerwicklung

13

Elektromagnet

14

Zusatzwicklung

15

Prüfeinrichtung

16

Schaltelement

17

Widerstand

18

Polschenkel

19

Dauermagnet

20

Anker

21

Auslöserichtung

Claims

1. Fehlerstromschutzschalter zur Überwachung und Unterbrechung eines Stromnetzes, insbesondere eines Hausnetzes, beim Auftreten von Iso lationsfehlern mit

- einer Magnetisierungseinrichtung, insbesondere einem Summen stromwandler und
- einer Auslöseeinrichtung zur Unterbrechung des Stromnetzes, wenn der gemessene Fehlerstrom einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Fehlerstromschutzschalter (1) eine Differenzstrommeßeinrichtung (2) aufweist sowie eine Steuereinrichtung (3) zur Unterbrechung des Stromnetzes vorgesehen ist, wenn der gemessene Differenzstrom einen einstellbaren Schwellwert übersteigt.

2. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Differenzstrommeßeinrichtung (2) und/oder der Steuer einrichtung (3) verbundene Anzeigevorrichtung (9) vorgesehen ist.

3. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (3) zur Steuerung des gesamten Fehlerstrom schutzschalters (1) dient.

4. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (3) programmierbar ist.

5. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (3) zur Auswertung von Meßdaten der Diffe renzstrommeßeinrichtung (2) dient.

6. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erregerwicklung (12) an einem Elektromagneten (13) der Auslö seeinrichtung vorgesehen ist und die Erregerwicklung (12) mit einer einen Summenstromwandler (5) umgebenden Sekundärwicklung (11) und der Differenzstrommeßeinrichtung (2) einen Stromkreis bilden.

7. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine einen Summenstromwandler (5) umgebende und mit der Diffe renzstrommeßeinrichtung (2) verbundene Zusatzwicklung (14) vorge sehen ist.

8. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prüfeinrichtung (15) vorgesehen ist, bei deren Betätigung ein Dif ferenzstrom und/oder ein Fehlerstrom zur Auslösung des Fehlerstrom schutzschalters (1) fließt.

9. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfeinrichtung (15) umschaltbar ist.

10. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der fließende Differenzstrom und/oder Fehlerstrom einstellbar ist.

11. Meßverfahren zur Überwachung und Unterbrechung eines Stromnet zes, insbesondere eines Hausnetzes, beim Auftreten von Isolationsfeh lern, insbesondere zur Durchführung in einem Fehlerstromschutzschal ter nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenzstrommessung durch einen Fehlerstromschutzschalter erfolgt.

12. Meßverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzstrommessung in einstellbaren, insbesondere periodischen, Zeitabständen erfolgt.

13. Meßverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenzstrommessung nach Parametervorgaben (z. B. einstellba rer Schwellwert, einstellbare Meßhäufigkeit) erfolgt.

14. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abspeicherung der durch die Differenzstrommessung ermittelten Meßdaten erfolgt.

15. Meßverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontinuierliche Abspeicherung des minimalen und/oder maximalen ermittelten Differenzstrommeßwertes erfolgt.

16. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 11-15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung der ermittelten Differenzstrommeßdaten erfolgt.

17. Meßverfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung der Anstiegsverläufe der ermittelten Differenzstrom meßdaten erfolgt.

18. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 11-17, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerstromschutzschalter programmierbar ist.