DE19944409A1 - Verfahren zur fehlerartabhängig empfindlichen Auslösung einer Differenzstromschutzeinrichtung, und Differenzstromschutzeinrichtung mit fehlerartabhängiger Empfindlichkeit - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Auslösung einer als RCD bezeichneten Differenzstromschutzeinrichtung, wobei ein als Schutzleiter-Fehlerstrom bezeichneter Fehlerstrom über einen Schutzleiter abgeleitet und zur Spannungsquelle zurückgeführt wird, und wobei dieser Schutzleiter-Fehlerstrom als Differenz zwischen den zum Verbraucher hinfließenden und vom Verbraucher zurückfließenden Strömen größenmäßig erfaßt und dieser erfaßte Strom als Differenzstrom bezeichnet wird, und wobei die RCD einen Schaltvorgang auslöst, sobald der Differenzstrom einen vorgegebenen Wert erreicht, schlägt die Erfindung vor, daß ein als Kompensationsstrom bezeichneter Anteil 6 1 des Schutzleiter-Fehlerstroms in die RCD eingekoppelt wird, derart, daß der von der RCD erfaßbare Differenzstrom geringer ist als der Schutzleiter-Fehlerstrom. Hierzu schlägt die Erfindung eine Differenzstromschutzeinrichtung vor, mit je einem Anschluß an alle aktiven Leiter eines Stromnetzes und einer Verbraucheranlage, und mit einem Anschluß an einen Schutzleiter, über welchen ein Schutzleiter-Fehlerstrom von der Verbraucheranlage abfließen kann, wobei eine ein Koppelglied K aufweisende Schaltung zum Einkoppeln eines als Kompensationsstrom bezeichneten Anteils 6 1 des Schutzleiter-Fehlerstroms in die RCD vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslösung einer Diffe­ renzstromschutzeinrichtung - im folgenden RCD (engl. Residual Current Protective Device) genannt - nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Differenzstromschutzeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 4.

RCDs sind zum Schutz von Personen, Tieren und Sachen vor den Gefahren des elektrischen Stromes aus der Praxis z. B. als FI-Schutzschalter vielfach bekannt. Sie sind an alle "aktiven" Leiter, d. h. an alle betriebsmäßig vom Stromnetz zur Verbrau­ cheranlage stromführende Leiter angeschlossen und trennen die Verbraucheranlage vom Netz, wenn eine unzureichende Isolation zwischen dem Netz und der Erde gegeben ist, oder sie geben ein Signal zur Meldung eines solchen Fehlers.

In der Differenzstromschutztechnik wird für den Schutz durch Abschaltung zwischen zwei Schutzzielen unterschieden, wobei unterschiedlich empfindliche RCDs verwendet werden:

• 1. Schutz bei direktem Berühren: Bei direktem Berühren span­ nungführender Leiter fließt ein im folgenden Berühr- Fehlerstrom" bezeichneter Strom durch den zu schützenden Personen- oder Tierkörper über die Erde zur Spannungs­ quelle zurück. Dieser Berühr-Fehlerstrom wird als soge­ nannter Differenzstrom von der RCD erfaßt, woraufhin eine Abschaltung bewirkt wird. Damit die Abschaltung auch bei dem niedrigsten für den Menschen oder das Tier gefährli­ chen Körperstrom zustande kommt, muß in diesem Fall die RCD sehr empfindlich ausgelegt sein. In den internationalen Errichtungsbestimmungen für elektrische Anlagen werden daher für den Schutz bei direktem Berühren Differenzstrom­ schutzeinrichtungen mit Auslöse- bzw. Bemessungsdiffe­ renzströmen I_{Δ n} ≦ 30 mA gefordert. Zudem müssen diese RCDs die Abschaltung in einer sehr kurzen Zeit bewirken, damit kein Körperstrom in einer für Mensch oder Tier ge­ fährlichen Höhe und Dauer bestehen bleiben kann.
• 2. Schutz bei indirektem Berühren: Beim indirekten Berühren fließt ein Fehlerstrom zum größten Teil durch den Schutzlei­ ter und die Erde zur Spannungsquelle zurück, wobei dieser Teilstrom im folgenden "Schutzleiter-Fehlerstrom" bezeich­ net wird. Lediglich ein geringer Teilstrom fließt über den Körper des zu schützenden Lebewesens. RCDs zum Schutz bei derartigem indirekten Berühren und zum Brandschutz können daher bei Realisierung eines ausreichend niedrigen Anlagenerdungswiderstandes wesentlich unempfindlicher ausgestaltet sein, d. h. der von der RCD erfaßte Differenz­ strom, der zur Ausschaltung führt, kann mindestens um den Faktor 10 höher sein als bei RCDs, die zum Schutz bei di­ rektem Berühren Verwendung finden. Bei derartigen indirek­ ten Berührungen sind die Personen oder Tiere üblicherwei­ se nur der höchstzulässigen Berührspannung von 25 oder 50 Volt dauernd ausgesetzt.

Bei den zweitgenannten RCDs ist nachteilig, daß sie einen un­ zulänglichen Schutz bei direktem Berührung aufweisen, da sie für derartige Fehler zu unempfindlich reagieren. Der Einsatz von hochempfindlichen RCDs, die bei direktem Berühren schützen würden, verbietet sich jedoch oft bei Anlagen, in denen be­ triebsmäßige Ableitströme als Schutzleiter-Fehlerströme auftre­ ten, die trotz Isoliermaßnahmen in Geräten und Anlagen zur Er­ de fließen, und zwar möglicherweise dauernd oder insbesonde­ re bei Schalthandlungen im Netz, so daß dementsprechend starke Differenzströme von der RCD erfaßt werden. Beim Ein­ satz hochempfindlicher RCDs würden diese Differenzströme zu unerwünschten Ausschaltungen führen. Aus betrieblichen Grün­ den müssen daher häufig unempfindliche RCDs Verwendung finden, die den Nachteil aufweisen, daß sie einen nur ungenü­ genden Personenschutz bei direkter Berührung bieten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße RCD dahingehend zu verbessern, daß diese unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen kann, abhängig von der auftreten­ den Art des Fehlers.

Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 und durch eine RCD mit den Merkmalen des Anspruches 4 gelöst.

Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, den als Schutz­ leiter-Fehlerstrom bezeichneten Strom, der über den Schutzlei­ ter abfließt, zusätzlich so durch die RCD fließen zu lassen, daß er die Differenz zwischen dem zum Verbraucher hinfließenden Strom und dem vom Verbraucher zurückfließenden Strom ver­ ringert und so den in der RCD erfaßbaren Differenzstrom zum Teil aufhebt, wobei der gegengekoppelte Anteil des Schutzlei­ ter-Fehlerstroms < 1 ist. In Sonderanwendungen kann auch vor­ gesehen sein, daß der in der RCD erfaßbare Differenzstrom zeitweilig ganz aufgehoben wird, mit einem gegengekoppelten "Anteil" des Schutzleiter-Fehlerstroms = 1.

Auf diese Weise wird für alle Schutzleiter-Fehlerströme, wie z. B. Ableitströme, der in der RCD erfaßbare Differenzstrom verrin­ gert und eine unempfindliche Charakteristik der RCD erzielt. Ströme jedoch, die beispielsweise infolge direkter Berührung ei­ nes spannungführenden Leiters als Berühr-Fehlerströme über den Körper eines Lebewesens zur Erde abfließen, fließen nicht über den Schutzleiter, werden daher nicht gegengekoppelt und werden demzufolge in vollem Umfang von der RCD als Diffe­ renzstrom erfaßt, so daß die RCD bei einem derartigen Berühr- Fehlerstrom mit ihrer höchsten, bauartbedingten Empfindlichkeit anspricht und eine schnelle Abschaltung bewirkt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteran­ sprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine rein schematische Prinzipskizze einer RCD mit fehlerartabhängig unterschiedlicher Empfindlichkeit, und

Fig. 2 den Schaltplan eines als FI-Schutzschalter ausgestal­ teten Ausführungsbeispiels einer RCD.

Fig. 1 dient zur Erläuterung des allgemeinen Prinzips der Erfin­ dung. In Fig. 1 ist rein schematisch ein über den Betriebs- Erdungswiderstand R_B geerdetes Versorgungsnetz G darge­ stetlt, welches als Einphasennetz und als TT-Netz mit dem An­ lagen-Erdungswiderstand R_A ausgestaltet ist, wobei die Schal­ tung jedoch auf beliebige Mehrphasennetze und Netzformen übertragbar und auf alle Arten von RCDs anwendbar ist.

Eine RCD mit dem Auslöse- bzw. Bemessungdifferenzstrom I_{Δ n1} ist zwischen dem Netz G und einer Verbraucheranlage A einge­ baut, um den Differenzstromschutz für diese Anlage zu realisie­ ren.

In der Verbraucheranlage A befindet sich ein Verbraucher V in einem geerdeten, leitfähigen Gehäuse. Der Verbraucher V läßt neben dem Laststrom I_L im Hauptstromkreis (L1, N) den Ab­ leitstrom I_{Δ PE} über den strichpunktiert dargestellten Schutzleiter abfließen, so daß dieser Ableitstrom als Schutzleiter- Fehlerstrom bezeichnet ist. Durch die RCD fließt der Laststrom I_L sowie ein Differenzstrom I_Δ zum Verbraucher, während vom Verbraucher lediglich der Laststrom I_L durch die RCD zurück­ fließt. Der Differenzstrom I_Δ entspricht bei dem bislang erläuter­ ten Aufbau der Anlage und der zunächst angenommenen Feh­ lerart dem Schutzleiter-Fehlerstrom I_{Δ PE}. Erreicht oder über­ schreitet der Differenzstrom I_Δ den Wert I_{Δ n1} löst die RCD aus.

Weiterhin ist jedoch ein Koppelglied K vorgesehen, welches aufgrund seiner vier Anschlüsse als Koppelvierpol bezeichnet ist und dem der Schutzleiter-Fehlerstrom I_{Δ PE} zugeführt wird. Über dieses Koppelglied K wird ein Kompensationsstrom I_komp derart in die RCD eingekoppelt, daß er ebenfalls als vom Verbraucher zurückfließender Strom erfaßt wird und somit dem eigentlich von der RCD zu erfassenden Differenzstrom I_Δ = I_{Δ PE} entgegenwirkt. Dieser Kompensationsstrom entspricht dem auf den Koppelfak­ tor k < 1 abgeschwächten Schutzleiter-Fehlerstrom I_{Δ PE}. Infolge der Gegenkopplung erfaßt die RCD nun nur noch den (1-k)-fachen Teil des Schutzleiter-Fehlerstromes I_{Δ PE} als tat­ sächlich erfaßbaren Differenzstrom I_Δ, so daß der Schutzleiter- Fehlerstrom um den Faktor 1/(1-k) höher werden muß, um die Auslösung der RCD zu erreichen.

Die als I_{Δ n2} bezeichnete erhöhte Ansprechschwelle der RCD er­ gibt sich also aus der als I_{Δ n1} bezeichneten niedrigen Ansprech­ schwelle zu I_{Δ n2} = I_{Δ n1}/(1-k).

Die Gegenkopplung bewirkt, daß die RCD nur dann unempfind­ licher wird, wenn der Differenzstrom I_Δ durch einen Schutzleiter- Fehlerstrom zustande kommt. Dieses ist der Fall, wenn be­ triebsmäßige Ableitströme im Verbraucher V entstehen, oder wenn durch einen störungsbedingten Isolationsfehler im Ver­ braucher V ein Schutzleiter-Fehlerstrom entsteht, d. h. wenn Schutz bei indirektem Berühren gegeben sein muß.

Bei direktem Berühren fließt kein Ableitstrom über den Schutz­ leiter, sondern ein derartiger Strom fließt, wie ebenfalls in Fig. 1 gezeigt, als Berühr-Fehlerstrom I_{Δ B} durch den Körper von Mensch oder Tier und über den Standortwiderstand R_St, ohne in das Koppelglied K zu gelangen, so daß dementsprechend keine Gegenkopplung erfolgt. Der Berühr-Fehlerstrom I_{Δ B} wird in vol­ lem Umfang von der RCD als Differenzstrom I_Δ erfaßt und die RCD weist folglich bei direktem Berühren weiterhin ihre hohe Ansprechempfindlichkeit auf, die einen optimalen Schutz von Lebewesen ermöglicht.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung schafft also einen FI-Schutz­ schalter, der abhängig vom Ort des Fehlers und damit von der Fehlerart, nämlich abhängig von einem direkten oder indirekten Berührungsfall mit unterschiedlicher Empfindlichkeit reagiert.

Wenn das Koppelglied K eine galvanische Trennung zwischen dem Eingang und dem Ausgang gewährleistet, kann zur Ein­ kopplung des Kompensationsstromes I_komp der Ausgang des Koppelgliedes K einem beliebigen Strompfad durch die RCD parallelgeschaltet werden. Damit ist es dann auch möglich, das Koppelglied K in einem eigenen Gehäuse unterzubringen, um so die Erfindung auch bei bereits vorhandenen RCDs zu nutzen. Wenn eine galvanische Trennung nicht gegeben ist, aber in der RCD die Differenzstromerfassung mit Hilfe eines Summenstrom­ wandlers erfolgt, kann eine weitere Wicklung auf dem Kern des Summenstromwandlers angeordnet werden, die vom Ausgang des Koppelgliedes K gespeist wird, so daß die RCD auf einfa­ che und preisgünstige Weise erfindungsgemäß ausgestaltet werden kann.

Für die Ausgestaltung des Koppelgliedes K gilt, daß dieses ei­ nen Stromwandler darstellt, mit einem dem Koppelfaktor k ent­ sprechenden Übertragungsverhältnis zwischen dem Ausgangs­ strom und dem Eingangsstrom. Im einfachsten Fall ist dies ein allgemein bekannter, nach dem Transformatorprinzip arbeiten­ der Stromwandler, dessen Ausgangsimpedanz groß ist gegen­ über der Impedanz des von ihm gespeisten Strompfades der RCD.

Das Koppelglied K kann jedoch auch als Stromwandler in Form eines elektronischen Schaltkreises realisiert sein, wodurch sich weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben. So kann das Koppelglied K z. B. als Allstromwandler ausgebildet sein, um allstromsensitive RCDs auch unempfind­ lich gegen Ableitstrom in Form von glattem Gleichstrom zu ma­ chen, oder bei wechselstromsensitiven RCDs mit Summen­ stromwandler eine Vormagnetisierung des Wandlerkerns durch glatten Gleichdifferenzstrom zu vermeiden.

Weiterhin ist es möglich, das Koppelglied K mit einem zeitlich veränderlichen Übertragungsverhalten auszugestalten, so daß dieser bei einem sprunghaft auftretenden Schutzleiter-Fehler­ strom I_{Δ PE} zunächst den Koppelfaktor k = 1 hat, dann aber nach einer definierten Zeit einen Koppelfaktor k < 1 annimmt. Hier­ durch erhält man eine RCD, die verzögert und mit geringer An­ sprechempfindlichkeit auf einen Differenzstrom reagiert, der über den Schutzleiter abfließt, die bei direktem Berühren jedoch den hohen Schutzpegel einer hochempfindlichen, unverzögerten RCD bietet.

Ähnliche verzögerte RCDs sind in der Differenzstromschutz­ technik z. B. als "selektive" FI-Schutzschalter gebräuchlich, um eine selektive Abschaltung nur des fehlerhaften Anlagenteiles zu erreichen, wenn Anlagen aus mehreren Teilen bestehen, die hintereinandergeschaltet sind, wie z. B. eine Hauptverteilung mit nachgeschalteten Unterverteilungen. Ein Nachteil dieser selekti­ ven FI-Schutzschalter besteht jedoch darin, daß sie relativ un­ empfindlich sind und immer verzögert reagieren, somit keinen umfassenden Schutz bei direktem Berühren ermöglichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, die prinzipiell gemäß Fig. 1 auf alle Arten von RCDs angewendet werden kann, wird im folgenden anhand von Fig. 2 für eine weit verbreitete RCD, den FI-Schutzschalter, näher erläutert.

Fig. 2 entspricht im wesentlichen bis auf die Ausgestaltung der RCD der Fig. 1. Der Verbraucher V oder die Anlage A verur­ sacht neben einem Laststrom I_L einen betriebsmäßigen Ab­ leitstrom als Schutzleiter-Fehlerstrom I_{Δ PE}, welcher beispielswei­ se durch Elektrowärmegeräte, elektronische und induktive Vor­ schaltgeräte für Gasentladungslampen oder Überspannungsab­ leiter stationär hervorgerufen sein kann oder infolge von Schalt­ vorgängen kurzzeitig hervorgerufen wird.

Als RCD ist ein FI-Schutzschalter F mit den Komponenten 1 bis 6 dargestellt: Im einzelnen sind dieses ein Summenstromwand­ lerkern 1 mit darauf befindlichen Primärwicklungen 2 u. 3, eine Sekundärwicklung 4, ein elektromagnetischer Komparator (das Auslöserelais) 5 und eine mechanische Kraftspeichereinheit 5 zur Betätigung von Schaltkontakten 6.

Um diesem hochempfindlichen FI-Schutzschalter die gewünsch­ te reduzierte Ansprechempfindlichkeit für Schutzleiter-Fehler­ ströme zu geben, wird mit Hilfe eines Koppelgliedes K ein Teil des Schutzleiter-Fehlerstromes I_{Δ PE} so durch den FI-Schutz­ schalter geleitet, daß er die Wirkung des zunächst auftretenden Differenzstromes I_Δ zum Teil aufhebt. Das Koppelglied K ist hier ein gebräuchlicher Stromwandler, mit einem Windungsverhältnis von z. B. k = 9/10 zwischen Eingangs- und Ausgangsseite. Hat der FI-Schutzschalter F einen Ansprech- bzw. Bemessungsdiffe­ renzstrom I_{Δ n1} = 30 mA für einen Berühr-Fehlerstrom, so beträgt sein Ansprechdifferenzstrom I_{Δ n2} = 300 mA für einen Schutzlei­ ter-Fehlerstrom.

Claims (8)

1. Verfahren zur Auslösung einer als RCD bezeichneten Differenzstromschutzeinrichtung,
wobei ein als Schutzleiter-Fehlerstrom bezeichneter Feh­ lerstrom über einen Schutzleiter abgeleitet und zur Span­ nungsquelle zurückgeführt wird,
und wobei dieser Schutzleiter-Fehlerstrom als Differenz zwischen den zum Verbraucher hinfließenden und vom Verbraucher zurückfließenden Strömen größenmäßig er­ faßt und dieser erfaßte Strom als Differenzstrom bezeich­ net wird,
und wobei die RCD einen Schaltvorgang auslöst, sobald der Differenzstrom einen vorgegebenen Wert erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Kompensationsstrom bezeichneter Anteil ≦ 1 des Schutzleiter-Fehlerstroms in die RCD eingekoppelt wird, derart, daß der von der RCD erfaßbare Differenz­ strom geringer ist als der Schutzleiter-Fehlerstrom.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom an einem beliebigen Hauptstrom­ pfad der Differenzstromschutzeinrichtung eingekoppelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schutzleiter-Fehlerstrom zunächst vollständig in die RCD eingekoppelt wird, und daß mit einer zeitlichen Verzögerung der eingekoppelte Anteil des Schutzleiter- Fehlerstroms verringert wird.

4. Differenzstromschutzeinrichtung,
mit je einem Anschluß an alle aktiven Leiter eines Strom­ netzes und einer Verbraucheranlage,
und mit einem Anschluß an einen Schutzleiter, über wel­ chen ein Schutzleiter-Fehlerstrom von der Verbraucheran­ lage abfließen kann, gekennzeichnet durch eine ein Koppelglied K aufweisende Schaltung zum Einkoppeln eines als Kompensationsstrom bezeichneten Anteils ≦ 1 des Schutzleiter-Fehlerstroms in die RCD.

5. Differenzstromschutzeinrichtung nach Anspruch 4, ge­ kennzeichnet durch eine zusätzliche, den Kompensations­ strom einkoppelnde Wicklung auf dem Kern eines Sum­ menstromwandlers der Schutzeinrichtung.

6. Differenzstromschutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsstromquelle zu einer Wicklung auf dem Kern eines Summenstromwandlers der Differenzstromschutzeinrichtung parallelgeschaltet ist.

7. Differenzstromschutzeinrichtung nach einem der Ansprü­ che 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung den Kompensationsstrom an einem beliebigen Hauptstrom­ pfad der Differenzstromschutzeinrichtung einkoppelt.

8. Differenzstromschutzeinrichtung nach einem der Ansprü­ che 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelglied in einem gegenüber der übrigen Differenzstromschutzein­ richtung separaten Gehäuse angeordnet ist.