DE19842470A1 - Fehlerstrom-Schutzeinrichtung mit Überlastschutz - Google Patents

Fehlerstrom-Schutzeinrichtung mit Überlastschutz

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Abstract

Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (1), mit einem netzspannungsunabhängigen, einen Summenstromwandler (2) enthaltenden Fehlerstrom-Auslösekreis (4) und mit einem in einem netzstromversorgten Überlast-Auslösekreis (10) angeordneten Überlastschutz (18), wobei der Fehlerstrom-Auslösekreis (4) und der Überlast-Auslösekreis (10) ein gemeinsames Auslöserelais (7) zur Betätigung einer ein Leiternetz (LN) beschaltenden Schaltmechanik (8) enthalten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fehlerstrom-Schutzein­ richtung, insbesondere auf einen Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schutzschalter), mit einem einen Summenstromwandler ent­ haltenden netzspannungsunabhängigen Fehlerstrom-Auslösekreis sowie mit einem Überlastschutz. Als Auslösekreis wird ein Stromkreis bezeichnet, entlang dessen eine elektrische Kon­ trollgröße erzeugt wird, und diese Kontrollgröße bewertet wird, und entlang dessen bei Vorliegen einer Auslösebedingung ein elektrisches Auslösesignal an ein Auslöserelais abgegeben wird.
Eine derartige Fehlerstrom-Schutzeinrichtung dient zur Si­ cherstellung des Schutzes gegen einen gefährlichen Körper­ strom in einer elektrischen Anlage. Ein solcher tritt bei­ spielsweise dann auf, wenn eine Person ein spannungsführendes Teil einer elektrischen Anlage berührt. Der Fehlerstrom (oder auch Differenzstrom) fließt dann über die Person als Körper­ strom gegen Erde ab. Die zum Schutz gegen gefährliche Körper­ ströme eingesetzte Schutzeinrichtung trennt bei Überschreiten des sogenannten Bemessungsfehlerstromes den betroffenen Stromkreis sicher und schnell vom Netz.
Der Aufbau bekannter Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen ist bei­ spielsweise aus der "etz" (1986), Heft 20, Seiten 938 bis 945, bekannt. Dort sind insbesondere in den Bildern 1 bis 3 Prinzipschaltbilder und Funktionsprinzipien eines Fehler­ strom-Schutzschalters (FI-Schutzschalter) und eines Diffe­ renzstrom-Schutzschalters (DI-Schutzschalter) dargestellt. Der FI- und der DI-Schutzschalter sind in ähnlicher Art und Weise aus drei Baugruppen aufgebaut. Inder Sekundärwicklung eines Summenstromwandlers, durch dessen Wandlerkern alle stromführenden Leiter eines Leiternetzes geführt sind, wird im Falle eines Fehlerstroms ein Spannungssignal induziert, das ein über eine Auslösekreiselektronik mit der Sekundär­ wicklung verbundenes Auslöserelais ansteuert. Das Auslösere­ lais betätigt daraufhin eine Schaltmechanik, mittels derer die Leiter des Leiternetzes getrennt werden. Dabei ist der FI-Schutzschalter ausschließlich induktiv über den Summen­ stromwandler an das Leiternetz angekoppelt. Er entnimmt somit die zur Auslösung notwendige Energie netzspannungsunabhängig aus dem Fehlerstrom selbst. Dagegen erfolgt beim DI-Schutz­ schalter die Auslösung netzspannungsabhängig mittels einer Verstärkerschaltung, die galvanisch mit dem Leiternetz ver­ bunden ist.
Um eine Beschädigung bei unsachgemäßer Anwendung zu vermei­ den, ist es erforderlich, eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung gegen thermische Überlastung zu schützen. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung bei Überbelastung versagt oder infolge thermischer Zerstörung selbst zur Gefahrenquelle wird. Beispielsweise verlangen die österreichischen Errichtungsbestimmungen ÖVE-EN 1, Teil 1, Abschnitt 12.12 einen Überlastungsschutz bei Fehlerstrom- Schutzeinrichtungen. Da in den meisten europäischen Ländern gemäß der Vorschrift EN 61008 nur netzspannungsunabhängige Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen zugelassen sind, ist insbe­ sondere ein Überlastschutz wünschenswert, der mit einem netz­ spannungsunabhängigen Fehlerstrom-Auslösekreis kombinierbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fehler­ strom-Schutzeinrichtung mit einem netzspannungsunabhängigen Fehlerstrom-Auslösekreis und einem Überlastschutz besonders vorteilhaft auszugestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Fehler­ strom-Schutzeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist der Überlastschutz in einem netzstromversorgten Überlast-Auslösekreis angeordnet. Der Fehlerstrom-Auslöse­ kreis und der Überlast-Auslösekreis enthalten ein gemeinsames Auslöserelais, mittels dessen sowohl seitens des Fehlerstrom- Auslösekreises als auch seitens des Überlast-Auslösekreises eine im Leiternetz angeordnete Schaltmechanik betätigt werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung liegt darin, dass nur der Überlastschutz Energie aus dem Lei­ ternetz entnimmt. Der Fehlerstrom-Auslösekreis ist dagegen unabhängig vom Leiternetz. Die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung ist somit als netzspannungsunabhängiger FI-Schutzschalter im Sinne der Vorschrift EN 61008 zu bezeichnen. Indem für beide Auslösekreise lediglich ein gemeinsames Auslöserelais vorge­ sehen ist, wird eine platzsparende Bauweise und ein geringer Kostenaufwand erzielt.
Vorteilhafterweise umfasst der Überlastschutz eine mit einem Temperatursensor verbundene Auswerteschaltung. Eine solche elektronische Ermittlung des Lastzustandes ist besonders platzsparend und kostengünstig zu realisieren. Zweckmäßiger­ weise ist dabei der Temperatursensor als temperaturabhängiger ohmscher Widerstand, insbesondere als PTC-Widerstand oder NTC-Widerstand, ausgebildet. Ein solcher Widerstand kann auf­ grund seiner geringen Größe quasi beliebig innerhalb der Feh­ lerstrom-Schutzeinrichtung positioniert werden. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung des Temperatursensors im Be­ reich des Summenstromwandlers, insbesondere in unmittelbarer Nähe der den Summenstromwandler durchziehenden Leiter des Leiternetzes, zumal dort die thermische Belastung der Fehler­ strom-Schutzeinrichtung besonders hoch ist.
Vorzugsweise ist dem Überlastschutz ein Netzteil vorgeschal­ tet, welches zur Spannungsversorgung mit jedem Leiter des Leiternetzes verbunden ist. Auf diese Weise ist die Funktion des Überlastschutzes auch bei einem Teilausfall des Leiter­ netzes gewährleistet. Durch eine hochohmige Ausgestaltung des Netzteiles ist der Überlast-Auslösekreis vorteilhafterweise vor Hochspannungsstößen im Leiternetz geschützt. Dabei ist in jede Versorgungsleitung ein Widerstand geschaltet, der minde­ stens dem 2,5 kΩ/V-fachen des Betrags der zwischen je zwei beliebigen Leitern des Leiternetzes herrschenden Spannung in Volt entspricht.
In vorteilhafter Ausgestaltung enthält der Überlast-Auslöse­ kreis eine Gleichrichtungsschaltung mit einem nachgeschalte­ ten Kondensator. Aufgrund der hochohmigen Anbindung des Über­ last-Auslösekreises an das Leiternetz ist die aus dem Leiter­ netz entnehmbare Leistung für die Auslösung des Auslöserelais nicht ausreichend. Deshalb ist mittels des Kondensators die zur Betätigung des Auslöserelais erforderliche Energie inner­ halb des Überlast-Auslösekreises gespeichert. Zur Erzielung eines besonders geringen Stromverbrauchs ist der Überlast- Auslösekreis derart hochohmig ausgebildet, dass die Stromauf­ nahme im Überlast-Auslösekreis die Beziehung I ≦ (0,8.Ul/√3)/(2.R) genügt. Dabei bezeichnet Ul die zwischen zwei beliebigen Leitern des Leiternetzes anliegende Netzspan­ nung und R den in jede Versorgungsleitung zum Netzteil ge­ schalteten Widerstandsbetrag. Der Faktor F beschreibt das Verhältnis zwischen der für die Gerätefunktion geforderten Mindestspannung und der niedrigsten Bemessungsspannung. Typi­ sche in Vorschriften genannte Werte sind beispielsweise 0,8; 0,85 oder 0,9. Zur Erfüllung dieser Bedingung müssen die Bau­ teile des Überlast-Auslösekreises eine entsprechend niedrige Stromaufnahme aufweisen.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst der Überlast-Auslöse­ kreis eine Entkopplungsschaltung, die eine gegenseitige Be­ einflussung der beiden Auslösekreise verhindert. Die Entkopp­ lungsschaltung kann beispielsweise durch eine Diode reali­ siert sein.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Fi­ gur schematisch ein Schaltbild eines FI-Schutzschalters mit einem netzspannungsunabhängigen Fehlerstrom-Auslösekreis und einem netzspannungsversorgten Überlast-Auslösekreis.
Der in der Fig. 1 dargestellte FI-Schutzschalter 1 umfasst ei­ nen Summenstromwandler 2, durch welchen die drei Phasenlei­ ter Li, i = 1, 2, 3, sowie der Nullleiter N eines Vier-Leiter­ netzes LN geführt sind. Der FI-Schutzschalter 1 ist dabei ei­ nem (nicht dargestellten) elektrischen Verbraucher vorge­ schaltet, welcher über das Leiternetz LN mit Strom versorgt wird.
Der Summenstromwandler 2 enthält einen magnetischen Wandler­ kern 3, der die Phasenleiter Li und den Nullleiter N umgibt. Dieser Wandlerkern 3 ist mit einer in einem Fehlerstrom-Aus­ lösekreis 4 angeordneten Sekundärspule 5 umwickelt. Im stö­ rungsfreien Betrieb des Leiternetzes LN ist die Summe der durch den Wandlerkern 3 fließenden Ströme stets Null. Eine Störung tritt dann auf, wenn - z. B. infolge eines Leckstroms - ein Teil des zugeführten Stromes verbraucherseitig über die Erde abgeführt wird. In diesem Fall ergibt die Summe der durch den Wandlerkern 3 fließenden Ströme einen von Null ver­ schiedenen Betrag, der als Fehlerstrom bezeichnet wird. Die­ ser Fehlerstrom induziert in der Sekundärspule 5 eine Diffe­ renzspannung UΔ, welche als Maß für den auftretenden Fehler­ strom herangezogen wird. Die in der Sekundärspule 5 erzeugte Differenzspannung UΔ wird innerhalb des Fehlerstrom-Auslöse­ kreises 4 einer Auslöseelektronik 6 zugeführt. Übersteigt die Differenzspannung UΔ einen vorgegebenen Schwellwert, so gibt die Auslöseelektronik 6 eine Auslösespannung Uf an ein Auslö­ serelais 7 ab. Das Auslöserelais 7 betätigt daraufhin eine Schaltmechanik 8, die alle Schaltkontakte eines alle Phasen­ leiter Li sowie den Nullleiter N übergreifenden Schalters 9 öffnet.
Der FI-Schutzschalter enthält des Weiteren einen Überlast- Auslösekreis 10, dessen zugehöriges Netzteil 11 über entspre­ chende Versorgungsleitungen Vi,Vn an alle Phasenleiter Li bzw. den Nullleiter N angeschlossen ist. Diese Versorgungs­ leitungen Vi,Vn verbinden die korrespondierenden Leiter Li,N des Leiternetzes LN über jeweils einen in jede Versorgungs­ leitung Vi,Vn geschalteten Widerstand R mit einer Gleichrich­ tungsschaltung 12. Jeder Widerstand R ist derart hochohmig ausgestaltet, dass er hinsichtlich seines Betrages die Glei­ chung R ≧ (2,5 kΩ/V).Ul erfüllt. Mit Ul wird dabei die zwischen je zwei beliebigen Leiter Li,N des Leiternetzes LN anliegende Netzspannung bezeichnet.
Durch die Anordnung der Widerstände R in jeder Versorgungs­ leitung Vi,Vn wird erreicht, dass bei der Hochspannungsprü­ fung gemäß der Gerätevorschrift EN 61008 stets eine Reihen­ schaltung eines Widerstandes R mit der Parallelschaltung der drei übrigen Widerstände R vorliegt. Die Widerstände R sind dabei bevorzugt derart belastbar ausgebildet, dass die ge­ nannte Hochspannungsprüfung bestanden wird. Dabei wird eine eine Minute andauernde Wechselspannung von bis zu 2500 V zwi­ schen einen Leiter Li,N und die übrigen, miteinander verbun­ denen Leiter Li,N angelegt. Des Weiteren wird durch die hochohmige Ausführung der Widerstände R der innerhalb der Gleichrichtungsschaltung 12 zwischen den Leitern Li,N flie­ ßende Leckstrom während der Hochspannungsprüfung besonders gering gehalten. Dieser Leckstrom beträgt beispielsweise in Dimensionierung auf ein 230/400 V-Netz bevorzugt weniger als 2 mA.
Der Gleichrichtungsschaltung 12 ist ein Kondensator 13 nach­ geschaltet, an den mittels der Gleichrichtungsschaltung 12 eine gleichgerichtete Betriebsspannung Uv angelegt ist. Dem Kondensator 13 ist wiederum eine Auswerteschaltung 14 zur Er­ mittlung des Lastzustandes nachgeschaltet. Die Auswerte­ schaltung 14 ist dazu über eine vom Überlast-Auslösekreis 10 abzweigende Messleitung 15 mit einem teniperaturabhängigen Wi­ derstand (PTC- oder NTC-Widerstand) als Temperatursensor 16 verbunden. Der Temperatursensor 16 ist innerhalb des Summen­ stromwandlers 2, insbesondere im Bereich der Leiter Li,N, an­ geordnet. An dieser Stelle tritt erfahrungsgemäß im Betrieb des FI-Schutzschalters 1 eine besonders hohe thermische Bela­ stung auf.
Die Auswerteschaltung 14 ermittelt den Widerstand des Tempe­ ratursensors 16 als Maß für die Temperatur im Summenstrom­ wandler 2 und gibt eine dieser Temperatur entsprechende Si­ gnalspannung Us an eine nachgeschaltete Schwellwertschal­ tung 17 aus. Übersteigt die Signalspannung Us einen vorgege­ benen Schwellwert, so gibt die Schwellwertschaltung 17 über eine Entkopplungsschaltung 18 eine Auslösespannung Ub an das Auslöserelais 7 ab. Die für den Auslösevorgang erforderliche Energie wird dazu aus dem geladenen Kondensator 13 bereitge­ stellt. Dies ist insbesondere insofern erforderlich, als die hochohmigen Widerstände R die Stromzufuhr aus dem Leiter­ netz LN hemmen.
Eine der Schwellwertschaltung 17 und dem Auslöserelais 7 zwi­ schengeschaltete Entkopplungsschaltung 19 verhindert, dass der Stromfluss im Fehlerstrom-Auslösekreis 4 den Stromfluss im Überlast-Auslösekreis 10 beeinflusst. Die Entkopplung­ schaltung 19 stellt die Unabhängigkeit der beiden Auslöse­ kreise 4 und 10 insbesondere auch dann sicher, wenn diese im Bereich des Auslöserelais 7 auf einem gemeinsamen Strompfad zusammengeführt sind. Um den Stromverbrauch des Überlast- Stromkreises 10 gering zu halten, ist die Auswerteschal­ tung 14 und der Schwellwertschaltung 17 derart hochohmig aus­ gestaltet, dass die Stromaufnahme I im Überlast-Auslöse­ kreis 10 einen Wert von (F.Ul/√3)/(2.R) nicht überschreitet. Hierbei beschreibt der Faktor F das Verhältnis zwischen der für die Gerätefunktion geforderten Mindestspannung zur nied­ rigsten Bemessungsspannung. Dieser Faktor F beträgt bevorzugt 0,8.

Claims (8)

1. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung, mit einem einen Summen­ stromwandler (2) enthaltenden netzspannungsunabhängigen Feh­ lerstrom-Auslösekreis (4) und mit einem netzstromversorgten Überlast-Auslösekreis (10), wobei der Fehlerstrom-Auslöse­ kreis (4) und der Überlast-Auslösekreis (10) ein gemeinsames Auslöserelais (7) zur Betätigung einer ein Leiternetz (LN) schaltenden Schaltmechanik (8) enthalten.
2. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass der Überlast- Auslösekreis (10) eine mit einem Temperatursensor (16) ver­ bundene sowie einer Schwellwertschaltung (17) vorgeschaltete Auswerteschaltung (14) zur Ermittlung des Lastzustandes um­ fasst.
3. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, dass der Temperatur­ sensor (16) im Bereich des Summenstromwandlers (2) angeordnet ist.
4. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tempe­ ratursensor (16) ein temperaturabhängiger ohmscher Widerstand ist.
5. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Überlast-Auslösekreis (10) ein Netzteil (11) vorgeschal­ tet ist, das über je eine Versorgungsleitung (Vi,Vn) mit je­ dem Leiter (Li,N) des Leiternetzes (LN) verbunden ist.
6. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, dass das Netz­ teil (11) hochohmig ausgebildet ist derart, dass in jede Ver­ sorgungsleitung (Vi,Vn) ein Widerstand (R) von mindestens dem 2,5 kΩ/V-fachen des Betrags der Netzspannung (Ul) in Volt geschaltet ist.
7. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (11) einen Kondensator (13) zur Speicherung der zur Betätigung des Auslöserelais (7) erforderlichen Energie umfasst.
8. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, dass der Überlast- Auslösekreis (10) derart hochohmig ausgebildet ist, dass die Stromaufnahme (I) des Überlast-Auslösekreises (10) eine Ober­ grenze von 80-90% des Quotienten aus der 1/√3-fachen Netz­ spannung (Ul/√3) und dem zweifachen Widerstand (R) in jeder Versorgungsleitung (Vi,Vn), mit I ≦ (F.Ul/√3)/(2.R) und 0,8 ≦ F ≦ 0,9, beträgt.
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