DE2124179C3 - Schutzeinrichtung zum Feststellen von Erdschluß-Leckströmen - Google Patents

Description

Kratzeinrichtung nach einem der Anspru J-» _dadurch gekennzeichnet, daß m ;

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_Er{induno bezieht sich auf eine Schutzeinrich uie etui' * _von Erdschluß-Leckströmen in tung *""««" ' i ilig geer

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dete ^S.'°™^^Γ5_.⁸ _de° _bef_den Zuleitungen gekoppelJiner^ndukm m _aufweisenden Magnetkernanten zwei King ^^ „^ _{mindestens eine} °^ng und mi^, _enen schwellwertkrei,, Sekundärwicklung.^ _{von der Dif}f_erenz der

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nach einem der Ansprüe Shutzeinrichtung ist bekannt (USA.-e a

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seheJM"Jf" _{sie den Betrieh des Ger}ätes nur J^ngfugig «^.^^,, _{und wegen des ve}rw.ckel-

Aufbaues solcher Geräte und des Mangels an ge- *5 ten ^A«fbauessojc unerkannt blei^^^Shen Geräten können daher verschiedene Feh.er vorhanden sein, die einen Erd-

schluß-Leckstrom verursachen. Aber auch wenn keine elektrischen Fehler aufgetreten sind, kann infolge mangelhafter Isolation, ungeeigneter Verwendungoder Umweltbeeinflussung dennoch ein gewisser Erdschluß-Leckstrom fließen

Die Sicherheitseinrichtungen bei elektrischen HaushaJtsinstallationen bestehen für gewöhnlich aus Uberstromschaltem oder Sicherungen mit einem Nennwert von 15 oder 20 A. Wenn bei einem hier angeschlossenen elektrischen Geiät ein größerer Fehler auftritt, beispielsweise ein Kurzschluß, welcher zu einem Strom führt, der größer ist als dieser Nennwert, spricht der Überstromschalter an oder brennt die Sicherung durch, so daß die Energiezufuhr zu dem Gerät unterbrochen wird. Eine solche Einrichtung ist jedoch ungeeignet, um auch für den Fall einen Schutz zu bieten, daß ein kleinerer elektrischer Fehler auftritt, der zu einem Erdschluß-Leckstrom in der Größenordnung von einigen 100 mA führt. Ein solcher Strom ist aber für einen Menschen bereits sehr gefährlich. »° Ein solcher Fall kann bei fehlerhaften Küchen- und Badezimmergeräten auftreten. Wenn ein solches Gerät einen Leckstrom von einigen 100 mA aufweist und der Benutzer Kontakt mit dem Gerät hat und auf einem feuchten Boden steht, kann dieser infolge des ^a5 Erdschluß-Leckstromes einen tödlichen elektrischen Schock bekommen. Derartig kleine Ströme bringen natürlich, obwohl sie für Menschen gefährlich sind, einen üblichen Überstromschalter mit einem Nennwert von 15 oder 20 A nicht zum Ansprechen. 3«

In ähnlicher Weise kann in der Gesundheitspflege ein geschwächter Herzpatient zum Beispiel mit einem elektronischen Überwachungsgerät, etwa einem Elektrokärdiagraphen, verbunden sein. Ein solches Gerät ist normalerweise vollständig sicher; unter L'mständen können jedoch infolge von elektrischen Fehlern, z. B. infolge schlechter Erdung, kleine Erdschluß-Leckströme in der Größenordnung von 1 bis 5 mA auftreten, die außerordentlich schwierig festzustellen sind. Das Gerät kann längere Zeit benutzt wer- den, ohne daß irgendwelche Schwierigkeiten auftreten. Wenn der Patient jedoch mit einem Teil seines Körpers z. B. einen metallischen Bettrahmen berührt, während er in Kontakt mit dem fehlerhaften Gerät steht, kann der Leckstrom durch seinen Körper flie-Ben. Ein solcher Leckstrom ist von den üblichen Schutzeinrichtungen nicht feststellbar und kann den noch für den geschwächten Patienten gefährlich sein, weil er die Herztätigkeit ungünstig beeinflußt, möglicherweise sogar mit tödlichem Ausgang. Selten wird 5» dann eine Untersuchung des toten Patienten ergeben, daß die wahre Ursache des Todes sin fehlerhaftes elektrisches Gerät war. Da die Wirkung kleiner elektrischer Ströme derjenigen verschiedener Herzkrankheiten sehi ähnlich ist, würde angenommen werden, daß die behandelte Herzkrankheit zu dem Herzstillstand geführt hat. Dieser Fall kann wiederholt auftreten, ohne daß seine wahre Ursache aufgedeckt wird. Ein wirksamer Schutz gegen die Wirkung fehlerhafter Geräte ist somit außerordentlich wichtig.

Eine typische Schutzeinrichtung dieser Art zeigt beispielsweise die obenerwähnte USA.-Patentschrift 3 473 091, bei welcher eine Magnetkernanordnung zwei Ringkerne umfaßt, wobei auf dem einen Ringkern eine Sekundärwicklung vorgesehen ist, über die 6j ein Magnetschalter ansteuerbar ist, der bei ausreichend starker Erregung der Sekundärwicklung eine Trennung des Lastkreises von der Stromversorgung herbeiführt. Dieser Magnetschalter kann so dimensioniert werden, daß er bei vorgegebenen Spannungen in der Sekundärwicklung, d. h. bei einer vorgegebenen Differenz der Ströme, in den beiden Zuleitungen der bekannten Anordnung anspricht, so daß sich insgesamt eine Art Schwellwertkreis ergibt. Die Ringkerne sind bei der bekannten Schutzeinrichtung so dimensioniert, daß sie bei ordnungsgemäßem Arbeiten derselben nicht in den gesättigten Zustand gelangen. Bei der bekannten Schutzeinrichtung sind nämlich keine Einrichtungen vorgesehen, um einen im gesättigten Zustand befindlichen Kern zurückzustellen, so daß dieser auf Grund seiner Remanenz im gesättigten Zustand verbleiben würde und dann keine Flußänderungen rnehr eintreten könnten, die über entsprechende, in die Sekundärwicklung induzierte Spannungen einen Magnetschalter auslösen könnten. Andererseits ist die bekannte Schutzeinrichtung auf Grund der Tatsache, daß die Ringkerne nicht in die Sättigung getrieben werden dürfen, sehr empfindlich gegenüber Störungen, so daß beispielsweise bereits das übliche Rauschen eine unerwünschte Abschaltung hervorrufen kann. Schließlich müssen bei der bekannten Schutzeinrichtung, bei welcher finer der Kerne als Differenztransformator arbeitet, entsprechend große und teure Kerne verwendet werden, um zu verhindern, daß diese Kernt in die Sättigung gelangen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Erdschluß-Leckströmen erreicht wird, daß gleichzeitig durch Verbesserung des Signal-Ra usch-Abstandes die Empfindlichkeit gegenüber Störungen, wie Einschwingvorgängen oder Rauschen, vermindert wird und daß kleine Abmessungen möglich werden, und zwar insbesondere durch Verwendung relativkleiner Magnetkerne, wodurch gleichzeitig eine Verbilligung der Schutzeinrichtung erzielt werden soll.

Die gestellte Aufgabe wird durch eine Schutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, welche gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Erregerkreis vorgesehen ist, durch den die ständig unter dem Einfluß der von den Zuleitungen erzeugten Magnetfelder stehenden Ringkerne alternierend mit einem ersten Signal vorgebbarer Größe vormagnetisierbar und mit einem zweiten impulsförmigen Signal in die Sättigung steuerbar sind, und daß beide Ringkerne mit Sekundärwicklungen versehen sind, die mit dem Schwellwertkreis verbunden sind.

Bei der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung wird also im Gegensatz zu der bekannten Schutzeinrichtung die durch unterschiedliche Ströme in den beiden Zuleitungen hervorgerufene Feldstärke gewissermaßen als Information in den Ringkernen gespeichert und periodisch ausgelesen, während bei der bekannten Schutzeinrichtung das Ausgangssignal an der Sekundärwicklung des als Differenztransformator dienenden Ringkernes kontinuierlich und direkt ausgewertet wird. Hierdurch wird beim Anmeldungsgegenstand ein wesentlich besseres Verhältnis von Signal zu Rauschen gewährleistet. Ein Störimpuls auf den Zuleitungen würde beispielsweise bei der vorbekannten Schutzeinrichtung eine fehlerhafte Abschaltung bewirken. Demgegenüber kann mit der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung ein Leckstrom in der Größenordnung von 200 μΑ erfaßt werden, was eine gegenüber der bekannten Schutzeinrichtung entschei-

dend erhöhte Empfindlichkeit bedeutet, ohne daß es zu unerwünschten Abschaltungen kommt.

Schließlich ist es auch ein Vorteil der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung, daß es nicht erforderlich ist, die Zuleitungen als Wicklungen auf die Kerne aufzubringen, sondern daß es genügt, die Zuleitungen cinlach durch die Kerne hindurchzufuhren.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung und weitere Vorteile derselben werden nachstehend anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbcispiele naher erläutert. Hs zeigt

I-1 g. 1 ein Blockdiagramm einer Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung,

I ig. 2 ein elektrisches Schaltbild der Schutz.einiichtung gemäß Fig. 1,

I ig. 3 ein Schaubild der an den Lastkreis angelegten Wechselspannung,

I-ig 4 em Schaubild des in der Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung verwendeten Erregerstroms in Abhängigkeit von der Zeit,

I-ig 5 ein Schaubild der Kraflfiußdichtc in Abhängigkeil von der magnetischen Feldstärke in der Magnetkernanordnung der Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung,

I ig ft ein elektrisches Schaltbild einer zweiten Ausfuhrungsform der in I ig. 2 dargestellten Schutzeinrichtung.

In I ig I isl ein l^astkreis 10 dargestellt, der übei Zuleitungen 16 und 18 mil MiIIe eines Schutzes 14 an eine Wechselspannungsquelle 12 anschließbar isl. Die Zuleitungen 16 und 18 umfassen zwei benachbarte IxMlungsabschnitte ?.O und 22, die zwischen dem Schulz 14 und dem l*aslkrcis 10 angeordnet sind und die mit einer Magnetkernanordnung 24 mit sättigbaren Magnetkernen induktiv gekoppelt sind, die das Auftreten von magnetischen Feldern feststellt, die durch die lienachbarten IjCitungsabschnitte bei unterschiedlich großen Strömen durch dieselben ei zeugt werden. Derartige ungleiche Ströme durch die Zuleitungen 16 und 18 bzw. die l>enachbarten Leitungsabschnitle 20, 22 derselben ergeben sich, wenn vom Last kreis 10, der mit den Zuleitungen 16 und 18 gekoppelt ist, ein I^eckstrom nach Erde abfließt. Mit der Magneikernanoidnung 24 ist ferner ein Abgleichwidersiand 26 gekoppelt, der einer Anfangskalibrierung dient, Ferner ist ein Erregerkreis 28 vorgesehen, um die Magnetkernanordnung 24 wahlweise während vorbestimmter Zeilintervalle zu erregen, wodurch bei Fließen ungleicher Ströme durch die benachbarten Feitungsabschnilie 20, 22 der Zuleitungen 16, 18 Ausgangssignale am Ausgang der Magnetkernanordnung erzeugt werden Mit dem Ausgang der Magnei kernanordnung ist ferner ein Schwellwertkreis 30 vei bunden, welcher auf Ausgangssignale der Magnetkernanordnung 24, die eine vorgegebene Hohe übersteigen, anspricht und der mit der Relaiswicklung 32 des Schützmagneten des Schützes 14 verbunden ist. der dazu dient, die Energiezufuhr zum Fastkreis in der gewünschten Weise zu unterbrechen

In Fig. 2 ist ein elektrisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die der in Fig. 1 dargestellten Schutzeinrichtung entspricht. Dabei ist der lastkreis 10 als Widersland dar-Ii "'tellt, obgleich auch eine kapazitive oder induktive I as! vorhanden sein kann, und dieser l-astkreis 10 isl mit der Wechsclspannungsquelle 12 über die Zuleitungen 16,18mit Hilfe des Schützes 14 verbindbar Wie die Zeichnung zeigt, liegt die Zuleitung 16 zwi sehen der einen Seite der Wechsclspannungsquelle Ii und der einen Seite des Lastkreises 10, während die Zuleitung 18 mit der anderen Seite des Lastkreise: verbunden und außerdem über eine gestrichelt darge stellte Verbindung geerdet ist, durch die die Möglich keit des Vorhandenseins einer leitenden Verbindung für zur Erde abfließende Ixckströmc angedeutet ist Fine solche Schaltungsanordnung kann allgemein al· >° Heispiel für ein übliches Hausvertcilersystem betrachtet werden, bei dem die Wcchsclspannungsqucllc übci ein Schütz mit HiKe eines Paares von Leitungen mil einem lastkreis verbunden ist. In einem solchen Sy stern kann bei einem elektrischen Fehler im l^stkrei« '5 ein Leckslrom auftreten, wenn keine Schutzeinrich tung gemäß vorliegender Erfindung vorhanden ist Wie Fig. 2 im einzelnen zeigt, umfassen die Zuleitungen 16 und 18 benachbarte Lcitungsabschnille 20 22, die durch die Magnetkernanordnung, welche bei »° dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel zwei sättig bare Ringkerne 34 und 36 umfaßt, hindurchgehen und mit dieser induktiv gekoppelt sind. Die Zuleitung n 16 und 18 sind mit den Ringkernen 34 und 36 im hl elektrisch verbunden Letztere können somit, wie »S weiter unten noch naher erläutert wird, iinabli;m_t>!>j vom Lastkreis 10 erregt werden, um so das VoiIk _t« π unterschiedlicher Ströme durch die bcnarhlwii.-M l-eitungsabschnitte 20, 22 der Zuleitungen zum I ;ι·-ι kreis 10 feststellen zu können, die möglicher weis. M. 3« Folge von schädlichen Frdschluß-l-eckstiomo.i v-., Lastkreis sind. Hei Vorliegen ungleicher Strom. ' der magnetische Abgleich der sältigbaren Rin,>k. ., gestöri, und es wird ein Ausgangssignal erzeugt .-.,-, die Betätigung des Schutzes 14 bewirkt, um dir I-giezufuhr zur Last zu unierbrechen

Die Ringkerne 34 und 36 sind mil Primär*» i- >.■■■■ gen 34a bzw 36a und ferner mit Sekundären kl . . 34/) bzw 36/j versehen, und die benachbart.·.» '.ungsabschnitte 20, 22 de Zuleitungen sind ι... · sentlrchen zentral durch d.e Ringkerne hindiic ■:■■< fuhrt. Die benachbarter, l.eitungsabschnrtte H> ?. dienen als zusätzliche Primärwicklungen fur <)..· U , kerne 34, 36, und zwar insofern, als sie die Musterung der Ringkerne beeinflussen, wenn un_VU-, ι·· elektrische Ströme durch sie hindurchfließen < .. benenfalls können die Sekundärwicklungen ..,- Ί Windungen a!s die Primärwicklungen halxMi um; ■> die Spannungsempfindlichkeil des Systems /ι. . i>. ■ hen^Bei dem dargestellten AusführungsbeispM ι ! die Primärwicklungen 34α und 36β der Ringkr..·. M 36 elektrisch parallel geschaltet, haben iod,« h . -u gengesetzten Wicklungssinn, so daß gleich.· Si, . durch die Primärwicklungen in den Ringkrmm wesentlichen gleich große magnetische Feld.·. .·„.,

gengesetzter Polarität erzeugen. Wenn dal», r k

äußeren Wirkungen vorhanden sind, mi wh.I .(... ■ die Erregung der Primärwicklungen kein rcMilti.-.. , des Ausgangss.gnal an den Sekundärwicklungen U! 36h erzeugt, da die m den einzelnen Ringkern,·,. zeugten Magnetfelder eine en.gegengesemc PoIh, ■..„ haben und ungefähr die gleiche Größe aufweisen I m nun eine Anfangskalibrierung vorzusehen, isl em Λ ι. gle.chswrderstand 26 zwischen die Primärwicklung η 34α und 36«, der Ringkerne geschallet. Bei Adwcm-., «5 he·! eines elektrischen Fehlers, der zu ungln.lun Strömen _In den benachbarten I^itungsabschnittcn 20, 22fuhren wurde, können daher die Ringkerne 34 und 36 durch den Erre_Kerkreis errsot ..„h ;„ „..„ i„

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stimmte magnetische Richtung magnetisiert und wahlweise in entgegengesetzter Richtung magnetisiert werden, ohne daß ein Ausgangssignal an den Sekundärwicklungen 34/j und 36b erzeugt wird, da die zeitlich sich ändernden Magnetfcldui in diesem Fall im wesentlichen die gleiche Größe und eine entgegengesetzte Polarität aufweisen.

Ungleiche Ströme durch die Zuleitungen 16 und 18 infolge von Erdschluß-Lcckströmen erzeugen ein verhältnismäßig schwaches Magnetfeld, das durch m seine Wirkung auf die relativ hoch irtagnetisierten Ringkerne festgestellt werden kann, wenn diese rasch von einem magnetischen Zustand in den anderen umkippen. Hierdurch wird eine beträchtliche Verstärkung der Wirkung der erwähnten schwachen Magnet- '5 felder erreicht, so daß eine verhältnismäßig hohe Empfindlichkeit gegenüber sehr kleinen Erdschluß-Leckströmen erzielt wird. F^:.in rasches und kräftiges Umschalten des magnetischen Zustandes der Ringkerne wird durch den Errcgerktois 28 bewirkt, «!er dazu dient, die Ringkerrie zunächst in einei vorbestimmten Richtung vorzumagnelisieren und dann die Richtung der magnetischen Er.cgung der Ringkern? durch ein scharfes Impulssignal rusch umzusihalten. Wenn bei gleichen Strömen durch die benachbarten ^J5 Leitungsabschnitte 20, 22 durch diese in den Ringkernen kein Magnetfeld erzeugt wird, so werden die Ringkerne durch das scharfe Inipulssignal gleichzeitig in den Zustand magnetischer Sättigung gebracht, und die entstehenden gleichgroßen, entgegengesetzt ge- 3» richteten Magnetfelder erzeugen an den Sekundär wicklungen 34b und 36b kein resultierendes Ausgangssignal. Ist jedoch infolge einer Ungleichheit der Strome in den Leitungsabschnitlen 20, 22 ein magnetisches Feld vorhanden, so weiden die Ringkerne nacheinander in ihren magnetischen Sättigiingszu stand umgeschaltet, und es wird durch den Einfluß des schwachen magnetischen Feldes auf die magnetische Umschaltung der Ringkerne nun ein resultierendes Ausgangssignal an den Sekundärwicklungen 34b und 36b erzeugt.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des Erregerkreises 28 und sein Einfluß auf die Ringkerne 34, 36 im einzelnen an Hand der Fig 3 bis 5 näher erläutert, die die an den Lastkreis angelegte Wechselspannung, die vom Erregerkreis 28 erzeugten elektrischen Signale und die sich ergebenden Ausgangssignale bzw. eine typische Magnetisierungskurve für die Ringkerne zeigen.

Der Erregerkreis 28 ist, wie dargestellt, Vorzugs- 5" weise über das Schütz 14 mit der Wechselspannungsquelle 12 verbunden. Der Firregerkreis weist einen HalOweggleichrichter 38 in Form einer Diode auf, die einem Anschluß eines Ladekondensators 40 über einen Widerstand 42 eine gleichgerichtete Halbwellenspannung zuführt, wobei der Widerstand 42 in erster Linie für die Erzeugung der gewünschten Magnetisierungshöhe in den Ringkernen 34, 36 verantwortlich ist Obwohl bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine gleichgerichtete Halbwellenspannung verwendet wird, könnte an Stelle der Diode auch ein Vollweggleichrichter verwendet werden, um die nunmehr voll gleichgerichtete Energie dem Ladekondensator 40 zuzuführen. Der andere Anschluß des Ladekondensators 40 ist mit der Magnetkernanord- «S nung 24 verbunden. Durch diesen Anschluß ist der Ladekondensator 40 mit den parallel geschalteten Primärwicklungen 34a und 36a der Ringkerne 34 bzw. 36 verbunden, um diesen Errcgersignale zuzuführen. Der zuletzt erwähnte Anschluß des Ladekondensators 40 ist ferner mit der Serienschaltung eines Widerstandes 46 und einer Zener-Diode 44 verbunden, wobei diese Scrienschaltung den parallel geschalteten Primärwicklungen parallel geschaltet ist und dazu dient sicherzustellen, daß eine vorgegebene Spannung am Ladekonilensator 40 liegt, um so die gewünschte Magnetisierung der Ringkerne zu bewirken. Die'Entladung des Ladekondensators, bei der ein eine hohe Energie aufweisender elektrischer Impuls den Primärwicklungen 34«, 36« zur Magnetisierung der Ringkerne zugeführt wird, wird durch einen ersten, wahlweise steuerbaren Schalter gesteuert. Dieser Schalter ist, wie die Zeichnung zeigt, parallel zum Ladekondensator geschaltet, um dessen Entladung-zu bewirken, wenn er auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen ist. Der Schalter ist vorzugsweise ein steuerbarer Siliziumglctchrichter 48 mit einer Steuerelektrode 50, die mit <·inem Parallelwiderstand 52 gekoppelt ist, der zum Erreichen einer verbesserten Temperaturstabilität vorgesehen ist. Die Steuerelektrode 50 ist ferner mit einem Bezugsglied mit Schwellwert gekoppelt, welches vorzugsweise durch einen basislosen Transistor bzw. einen Diac 54 gebildet wird, welcher ein Auslösen des steuerbaren Sili/iumgleichrichters 48 so lange verhindert, bis an dem Ladekondensator 40 eine Spannung vorgegebener Höhe erreicht ist. Der Diac 54 bleibt so lange nichtleitend, bis seine Schwellspannung überschritten wird, was bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bei einer vorgegebenen Spannung am Ladekondensator 40 der Fall ist, bei welcher der Diac leitend wird und ein eine konstante Spannung aufweisendes Signal an die Steuerelektrode 50 gibt, durch die dann der steuerbare Siliziumgleichrichter in den leitenden Zustand gebracht wird.

Während der Betätigung des Erregerkreises 28 wird das Wechselspannungssignal anfänglich dei Diode 38 über das geschlossene Schütz 14 zugeführt wobei die Wechselspannung in Fig. 3 als eine Sinusspannung von 1 K) bis 115 V mit einer Frequenz vor 60 Hz dargestellt ist. Gegebenenfalls kann natürlich auch eine geeignete Gleichstromquelle verwende! werden.

Infolge der besonderen Ausbildung des Erregerkreises gemäß Fig. 2 verläuft der vom Ladekonden sator 40 kommende Ausgangsstrom zunächst ungefähr gemäß dem Kurvenabschnitt 56 der in Fig.-: dargestellten Kurve, die den Ausgangsstrom des La dekondensators in Abhängigkeit von der Zeit dar stellt, wobei diese·; Signal den parallel geschalteter Primärwicklungen 34a und 36a zugeführt wird, wäh rend der Ladekondensator aufgeladen wird. Währen«, des dem Kurvenabschnitt 56 entsprechenden Zeitab schnittes wird also der Ladekondensator 40 zur Si cherslellung det gewünschten Magnetisierung de Ringkerne auf eine vorgegebene Spannung aufgela den, wobei der Spannungsverlauf an seinem Ausganj durch die Reihenschaltung der Zener-Diode 44 um des Widerstandes 46 bestimmt wird und wobei zu nächst der steuerbare Siliziumgleichrichter 48 durcl den Diac 54 in nicht leitendem Zustand gehalten wird Den Primärwicklungen 34a und 36a der Ringkern« wird also zunächst ein Vormagnetisierungssignal ent sprechend dem Kurvenabschnitt 56 gemäß F i g. 4 zu geführt. Die Zuführung dieses Signals zu den Primär wicklungen 34a und 36a führt in diesen zu einen

ίο

sind, was durch das schwache Magnetfeld bewirkt wird, welches bei Auftreten des Impulses (Kurvenabschnitt 58) infolge der ungleichen Ströme vorhanden ist. Die ungleiche Vormagnetisierung hat zur Folge, daß unterschiedliche Zeiten erforderlich sind, um die beiden Kerne in den Sättigungszustand zu bringen. Damit ergibt sich zu jedem Zeitpunkt aber auch ein unterschiedlicher Magnetfluß in den beiden Magnetkernen, so daß an den Sekundärwicklungen 34b und

ausreichenden Stromfluß, um sie, während die erforderliche Spannung an dem Ladekondensator 40 aufgebaut wird, in einer ersten vorgegebenen Richtung vorzumagnetisieren. In diesem Zusammenhang wird auf F"ig. 5 verwiesen, wo die Magnetisierungskurve eines typischen sättigbaren Ferritringkernes dargestellt ist, der den Ringkernen 34 und 36 entspricht. Aus der Magneticierungskurve ergibt sich, daß beide Ringkernc anfangs in einem permanenten Zusiand

sind, der durch die Punkte a, und b, auf der Magneti- i° 36h der Ringkerne ein Ausgangssignal erzeugt wird. sierungskurve dargestellt wird. Wenn der Ausgangsstrom des Ladekondensators sich

Wenn nun das durch den Kurvenabschnitt 56 dar- dem Wert Null nähert (vgl. Kurvenabschnitt 60 in gestellte Signal den parallel geschalteten Primärwick- Fig. 4), dann kehrt die Magnetisierung der beiden lungen zugeführt wird, so folgt die Magnetisierung der Ringkerne wieder in den anfänglichen permanenten Ringkerne der Magnetisierungskurve bis zu eir.em »5 Magnetisierungszustand entsprechend den Punkten a,

~' " " und b, in Fig. 5 zurück. Es ergibt sich somit, daß der

Erregerkreis 28 ein rasches Umschalten der magnetischen Zustände der Ringkerne 34 und 36 bewirkt, um so ein äußerst empfindliches Mittel zum Feststellen unterschiedlich großer Ströme durch die benachbarten Leitungsabschnitte 20, 22 (infolge eines l.e-ckstromes) zu schaffen, indem der Einfluß des dim Ii die unterschiedlichen Ströme erzeugten Magn tieliU ■■ auf

Punkt a₂ in bezug auf den Ringkern 34 und b, in bezug auf den Ringkern 36. Zur Erläuterung sind die Punkte <J₂ und faj an verschiedenen Stellen auf der Magnetisicrungskurvc eingezeichnet, um den Unterschied in der Magnetisierung der betreffenden Ringkerne 34 und 36 infolge des Fließens ungleicher Ströme durch die benachbarten Leitungsabschnitte 20 und 22 der Zuleitungen 16bzvv. ^S auf Grund eines I^eckstromes darzustellen. Wenn kein derartiger Leckstrom fließt, die magnetischen Umschaltvorgänge

sind die Ströme durch die Zuleitungen 16 und 18 ⁴S wird. Obgleich die obige Beschreibung voi eir gleich groß und die Punkte a₂ und b₂ liegen dann an triebsweise ausgeht, bei der die Ringkcrnc an!· identischen Stellen der Magnelisierungskurve. Zur in einer Richtung vormagnetisiert sind un. Erläuterung wurde jedoch angenommen, daß ein plötzlich in entgegengesetzter Richtung in dt> Leckstrom vorhanden ist, durch den die Vormagneti- gung getrieben werden, können die Ringken ·. sierung der Ringkerne so beeinflußt wird, daß die 3° benenfalls auch zunächst in der gleichen K

'-'.irmagnetisicrt werden, in welcher sie span . magnetische Sättigung getrieben werden, woi derum der Einfluß des durch die Leckström sachten magnetischen Feldes auf die Umscli_;. ausgewertet werden kann.

Um nun die Anwesenheit des Ausgangssii: den Sekundärwicklungen 34b, 36b der Ringk 36 festzustellen, ist mit diesen der Schwelle

Punkte a₂ und b₂ an verschiedenen Stellen dei Magnetisierungskurve liegen. Wenn die Spannung am Ladekondensator 40 sich dem vorgegebenen Wert nähert, so erreicht die dem Diac 52 zugeführte Spannung dessen Schwellspannung, wodurch dieser leitend wird und ein Signal an die Steuerelektrode 50 des steuerbaren Siliziumgleichrichters 48 liefert, das ausreicht, um letzteren in den leitenden Zustand zu ver setzen. Hierdurch wird nun ein Entladestrompfad für den Ladekondensator 40 über die Anoden-Kaihoden-Strecke des steuerbaren Siliziumgleichrichters hergestellt, so daß nun ein steiler, eine große Amplitude aufweisender Stromimpuls mit einer gegenüber dem anfänglichen Vormagnetisierungssignal entge-30 verbunden. Der Schwellwertkreis wc:· zweiten, wahlweise steuerbaren Schalter aiii Ausgang der Sekundärwicklungen 34b und 3<» schlossenen ist und auf die Anwesenheit eine nung an diesen Wicklungen anspricht. Der ste Schalter ist so geschaltet, daß er bei Fehlen ι

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gengesetzten Polarität erzeugt wird, wir dies durch 45 gangssignals an den Sekundärwicklungen 34

den Kurvenabschnitt 58 der in Fig. 4 dargestellten Kurve angedeutet ist. Dieser Impuls wird den parallel geschalteten Primärwicklungen 34a und 36a aufgedrückt. Hierdurch werden die Ringkerne 34 und 36 rasch in einen der anfänglichen Vormagnetisierung entgegengesetzten magnetischen Sättigungszustand gebracht, wobei die Magnetisierung der beiden Ringkerne zu einem vorbestimmten Zeitpunkt durch die Punkte a, und b, auf der Magnetisierungskurve 36b nicht leitend ist, während er bei einem benen Ausgangssignal an den SekundärwuΛ leitend wird. Der steuerbare Schalter ist vor/i^ ein gesteuerter Siliziumgleichrichter 62 :m: Gate-Kathoden-Strecke, die an den Ausganu ' kundärwicklungen 34b, 36b abgeschlossen iA ist die Gate-Elektrode des gesteuerten Siliziuml richters 62 mit einem Widerstand 64 und cim Reihe damit liegenden Kondensator 66 gc\->

(Fig. 5) dargestellt ist. Da bei dem hier betrachteten 55 wodurch ein Steuersignalfilter geschaffen wird

Fall die beiden Ringkerne, ausgehend von unterschiedlichen Vormagnetisierungen, in die Sättigung gebracht werden, ist für das Erreichen der Sättigung bei den beiden Kernen eine unterschiedliche Zeitspanne erforderlich, wie dies aus der Darstellung gemäß Fi g. 5 deutlich wird. In diesem Zusammenhang sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Überführung beider Ringkerne in den Sätligungs/ustand bei gleicher Vormagnetisierung innerhalb der gleichen Zeitintervalle geschieht. Im vorliegenden Fall wird jedoch davon ausgegangen, daß in den Leitungsabschnitten 20 und 22 unterschiedliche Ströme fließen, so daß die Ringkerne anfänglich unterschiedlich vormagnetisiert unerwünschtes und störendes Ansprechen ^ Schwellwertkreises 30 zu verhindern. Im Bein.: Schwellwertkreises 30 ergibt sich bei einem I ·. Λ strom, der einen ungleichen Stromnuß durch .i, -

nachbarten Leitungsabschnitte 20 und 22 zm '■ g< hat, eine bestimmte Spannungshöhe am Ausgang c Sekundärwicklungen, und es wird ein ausreichec :<· Signal an dem Widerstand 64 erzeugt, der mn Gate-Elektrode des steuerbaren Siliziumgleieln ie)i

ters verbunden ist, um den letzteren in den lcitmdci Zustand zu versetzen. Wenn der steuerbare Sili/^.m gleichrichter 62 leitend wird, wird ein Signal erzcugl um das Vorliegen eines Erdschluß-Leckstromcs an

zuzeigen und/oder Schutzmaßnahmen gegen die Wirkungen eines solchen Erdschluß-Leckstromes einzuleiten, beispielsweise dadurch, daß das Schütz 14 betätigt wird.

Bei dem dargestellten Ausfülirungsbeispiel umfaßt der Schützmagnet, der die Betätigung des Schützes 14 steuert, vorzugsweise eine wahlweise erregbare Relaiswicklung 32, die zwischen der Wechselspannungsquelle 12 und der Anoden-Kathoden-Strecke des steuerbaren Siliziumgleichrichters 62 derart angeschlossen ist, daß die Relaiswicklung 12 bei Leiiendwerden des Siliziumgleichrichters 62 erregt wird. Wie die Zeichnung zeigt, hat das Schütz 14 ferner zwei Relaiskontakte 68 und 70, die mit dem Schützmagneten verbunden sind und die bei Erregung der Relaiswicklung 32 und Leitendwerden des Siliziumgleichrichters 62 geöffnet werden. Als Ergebnis der Erzeugung eines Ausgangssignals an den Sekundärwicklungen 34b und 36b wird somit der Siliziumgleichrichter 62 leitend, wodurch die Relaiswicklung 32 erregt wird und die Kontakte 68 und 70 geöffnet werden. Hierdurch wird die Zufuhr von Energie zum Lastkreis unterbrochen und damit ist die erforderliche Sicherung und der gewünschte Schutz vorhanden. Durch eine geeignete Wahl der Bauelemente des Systems ist es möglich, eine gewünschte Empfindlichkeit zu erzielen. Beispielsweise ist es im allgemeinen von Vorteil, ein Abfallen des Schützes bei einem Leckstrorn von etwa 5 mA oder höher vorzusehen, da ein solcher Leckstrom in vielen Fällen bereits schädlich sein kann. Gegebenenfalls kann der Abschaltpunkt wahlweise dadurch eingestellt werden, daß die Einstellung des Abgleichwiderstandes verändert wird, wobei die Empfindlichkeit des Systems teilweise von den Eigenschaften der vorhandenen Ringkerne abhängt. In diesem Zusammenhang ist es im allgemeinen erwünscht, Ringkerne zu verwenden, die eine annähernd rechtwinklige Hysteresiskurve haben, um so eine relativ hohe Empfindlichkeit zu erzielen. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß verschiedene Arten von Ferritkernen oder metallischen Bandkernen in Ringform mit Erfolg verwendet worden sind. In manchen Fällen ist es erwünscht, auf den Ringkernen Wicklungen mit einer Vielzahl von Windungen vorzusehen, wobei das Windungsverhältnis von Primär- zu Sekundärwicklung gleich 1:1 gewählt wird und wobei auf den beiden Ringkernen 34 und 36 jeweils die gleiche Zahl von Windungen vorgesehen ist. In manchen Fällen ist es ferner erwünscht, ein störendes Abfallen des Schützes bei Auftreten von Störsignalen zu verhindern, die bei relativ hohen Strömen durch die Zuleitungen 16 und 18 auftreten können. Dies kann erreicht werden, indem die Zuleitungen verdrillt werden, was eine beträchtliche Verringerung der durch solche Störsignale erzeugten Magnetfelder mit sich bringt.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Schutzeinrichtung sind die Wicklungen der einzelnen Ringkerne parallel geschaltet. In manchen Fällen kann es jedoch von Vorteil sein, eine ähnliche Schutzeinrichtung zu schaffen, bei der die betreffenden Wicklungen in Reihe geschaltet sind. Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung, bei der dies der Fall ist, zeigt Fig. 6 der Zeichnung. Eine Schutzeinrichtung gemäß Fig. 6 ist besonders dort vorteilhaft, wo ein K.ernmaterial mit einer relativ rechteckigen Hysteresiskurve verfügbar ist.

In Fig. 6 sind die entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 bezeichnet. Auch hier ist der Lastkreis 10 über ein Schütz 14 an die Wechselspannungsquelle 12 angeschlossen. Ferner sind die Zuleitungen /wischen der Wechselspannungsquelle und dem Lastkreis angeordnet, wobei die benachbarten Leitungsabschnitte 20 und 22 zwischen der Wechselspannungsquelle und dem Lastkreis im wesentlichen zentral durch die beiden sättigbaren Ringkerne 72 und 74 hindurchgeführt und mit diesen

ίο induktiv gekoppelt sind. Die Ringkerne 72 und 74 tragen Primärwicklungen 72a und 74a und ferner Sekundärwicklungen 72b und 74b. Die Primärwicklungen 72a und 74a sind elektrisch in Reihe geschaltet und die Sekundärwicklungen 72b und 74b sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Ferner ist zwischen der Wechselspannungsquelle 12 und den Ringkernen 72 und 74 ein Erregerkreis 76 angeschlossen, um letzterem ähnlich wie dem Erregerkreis 28 Energie zuzuführen; jedoch ist der Erregerkreis 76 gegenüber dem

»o Erregerkreis 28 im Hinblick auf die Reihenschaltung etwas abgewandelt. Die Wirkungsweise des Erregerkreises 76 ist jedoch der Wirkungsweise des Erregerkreises 28 ähnlich, und er kann somit ein Ausgangsimpulssignal erzeugen, wie es beispielsweise in Fig. 4

»5 dargestellt ist. Der Erregerkreis 76 weist ferner eine als Halbwellengleichrichter wirkende Diode 38 auf, die mit dem Ladekondensator 40 über den Widerstand 42 verbunden ist, der die Erreichung der erforderlichen Magnetisierungshöhe für die Ringkerne 72 und 74 unterstützt. Der Erregerkreis 76 weist ferner einen steuerbaren Siliziumgleichrichter 48 auf, dessen Steuerelektrode 50 zwischen dem Parallelwiderstand 52 - der zur Erhöhung der Temperaturstabilität des Siliziumgleichrichters 48 beiträgt - und einem Bezugsglied mit Schwellwert angeschlossen ist, welches als Diac 54 ausgebildet ist. Zusätzlich ist vorzugsweise ein Widerstand 78 parallel zum Ladekondensator 40 geschaltet, um den Einfluß irgendwelcher Änderungen in der Ausgangsspannung der Wechselspannungsquelle 12 auf ein Minimum herabzusetzen. Der Abgleichswiderstand 26, der wiederum aus einem veränderlichen Widerstand besteht, ist einerseits an den Verbindungspunkt zwischen den in Reihe liegenden Primärwicklungen 72a und 74a angeschlossen und andererseits an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 42 und dem Ladekondensator 40. Ferner ist noch ein Spannungsbegrenzungswiderstand zwischen den Primärwicklungen 72a und 74a vorgesehen, um einen Abgleich der Ringkerne während der anfänglichen Kalibrierung zu verbessern.

Der Schwellwertkreis 30 ist vorgesehen, um die Anwesenheit von Ausgangssignalen an den Sekundärwicklungen 72b, 74b infolge des Durchgangs von ungleichen Strömen durch die benachbarten Leitungsabschnitte 20, 22 der Zuleitungen 16, 18 festzustellen. Der Schwellwertkreis 30 umfaßt einen zweiten steuerbaren Schalter, der vorzugsweise ein steuerbarer Siliziumgleichrichter 62 ist, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 2 bereits erläutert wurde. Gegebenenfalls können die in Reihe liegenden Bauteile, nämlich der Widerstand 64 und der Kondensator 66, mit der Steuerelektrode des Siliziumgieichrichters 62 verbunden werden und als Steuersignalfilter dienen, um ein unerwünschtes Auslösen der Schutzeinrichtungin Abhängigkeit von kurzzeitigen Ausgleichsvorgängen oder Störsignalen zu verhindern, wobei sich versteht, daß auch andere Mittel verfügbar sind, um derartige unerwünschte Auslösevorgänge zu verhin-

dem. Ferner ist ein Dämpfungswiiierstand 82 mit den in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen 72f>, 74b verbunden, um sicherzustellen, daß Ausgangsimpulse ausreichender Dauer erzeugt werden und daß somit der steuerbare Siliziumgleichrichter 62 mit Sicherheit leitend wird.

Durch das Leitendwerden des Siliziumgleichrichters 62 wird das Schütz 14 in ähnlicher Weise betätigt, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 2 bereits näher erläutert wurde. Es sei darauf hingewiesen, daß die Anode des Siliziumgleichrichters 62 mit der Relaiswicklung 32 über einen Strombegrenzungswiderstand 84 gekoppelt ist, wobei die Relaiswicklung bzw. der Schützmagnet mit Relaiskontakten 68 und 70 verbunden ist, die bei Erregung der Relaiswicklung 32 geöffnet werden und damit die Zufuhr von Energie zum Lastkreis 10 unterbrechen.

Die Wirkungsweise der Schutzeinrichtung gemäß F i g. 6 ist im wesentlichen insofern mit derjenigen der Schutzeinrichtung gemäß F i g. 2 identisch, als der Erregerkreis 76 das Aufdrücken eines solchen Vormagnetisierungssignals auf die Primärwicklungen 72c und 74a der Ringkerne 72 bzw. 74 bewirkt, daß diese in einer Richtung vormagnetisiert werden, während mit Hilfe eines später erzeugten kräftigen Impulses an diesen Wicklungen (Kurvenabschnitt 58 der Spannungskurve gemäß Fig. 4) die Ringkerne dann plötzlich in entgegengesetzter Richtung in den Sättigungszustand gebracht werden. Fließen durch die Leitungsabschnitte 20 und 22 gleiche Ströme und fehlt folglich ein von diesen Leitungsabschnitten erzeugtes resultierendes Magnetfeld, so werden die Ringkerne 72 und 74 im wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt in den Sättigungszustand gebracht, so daß über dem mit den Sekundärwicklungen 72b und 74b verbundenen Dämpfungswiderstand 82 kein Ausganssignal erzeug: wird, so daß der steuerbare Siliziumgleichrichte: nichtleitend bleibt. Bei Vorliegen eines ErdschluC-Lecknromes wird jedoch ein Magnetfeld erzeugt ;u _; die ormagnetisierung der Ringkerne derart bt,';nflußt. daß diese zu unterschiedlichen Zeitpunkten in

-- den Sättigungszustand gelangen, wodurch nun ein Ausgangssignal an den in Reihe liegenden Sekundärwicklungen 72b und 74b erzeugt wird, wie dies oben erklärt wurde. Dieses Ausgangssignal steht dann auch über dem Dämpfungswiderstand 82 an und wird der

'5 Steuerelektrode des steuerbaren Siliziumgleichrichters 62 aufgedrückt, um diesen in den leitenden Zu stand zu bringen, wodurch die Relaiswicklu-g 32 erregt und die Relaiskontakte 68 und 70 geöffnet werden, so daß die Energiezufuhr zum Lastkreis unterbrochen wird.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die vorstehenden Ausführungsbeispiele die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung zwar im Zusammenhang mit einer Wechselspannung erläutern, daß diese Schutzeinrich-

»5 tung jedoch auch zur Überwachung eines Gleichstromnetzes mit Erfolg eingesetzt werden kann. Dabei werden dann die ungleichen Gleichströme in den Zuleitungen, wie sie infolge eines Erdschiuß-Leckstromes auftreten können, in gleicher Weise durch ihren Einfluß auf die Magnetisierung von sättigbaren Magnetkernen ermittelt, wie dies oben näher erläutert wurde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

»5 Patentansprüche:

1. Schutzeinrichtung zum Feststellen vor, Erdschluß-Leckströmen in einem über zwei Zuleitungen an eine einpolig geerdete Stromversorgung angeschlossenen Lastkreis mit einer induktiv mit den beiden Zuleitungen gekoppelten, zwei Ringkerne aufweisenden Magnetkernanordnung und mit einem damit über mindestens eine Sekundärwicklung verbundenen Schwellwertkreis, der bei einer vorgegebenen, von der Differenz der Strome in den Zuleitungen abhängigen Differenzspannung eine Trennung der Last von der Stromversorgung herbeiführt, dadurch gekennz e Ic h η e«, daß ein Erregerkreis (28) vorgesehen ist, durch den die ständig unter dem Einfluß der von den Zuleitungen (16, 18) erzeugten Magnetfelder stehenden Ringkerne (34, 36) alternierend mit einem ersten Signal vorgebbarer Große vormagnetisierbar und mit einem zweiten impulsformigen Signal in die Sättigung steuerbar sind, und daß beide Ringkerne (34, 36) mit Sekundärwicklungen (34b, 36b) versehen sind, die mit dem Schwellwertkreis (30) verbunden sind.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet.daßdie Zuleitungen (16. 18) m>t zwei unmittelbar benachbarten Leitungsabschnitten (20, 22) im wesentlichen zentrisch durch die

Ringkerne (34, 36) geführt sind und daß die Lejtungsabschnitte (20, 22) und die Sekundarwicklungen (36b. 34b) jeweils bei einem Ringkern (36) den gleichen und bei dem anderen Ringkern 34 den entgegengesetzten Wicklungss.nn haben im Vergleich zu dem Wicklungssinn der jeweiligen Primärwicklung (36a; 34«).

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerkreis (28) einen durch eine Gleichspannungsquelle relativ langsam aufladbaren und mit Hilfe-eines steuerbaren Schalters über die Primarwn^unger, (34a, 36«) der Ringkerne (34, 36) relativ schnell entladbaren Ladekondensator (40) aufweist.

4 Schutzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquel e durch eine Wechselspannungsquelle (12) und e,-nen an diese angeschlossenen Halbweggleichnchter (38) gebUdet ist. ..

5. Schutzeinrichtung nach einem der Anspruche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ladekondensator (40) und der Steuerelektrode (50) des steuerbaren Schalters ein Bezugsglied mit Schwellwert angeschlossen « · das ^i einer vorbestimmten Spannung an dem Ladekondensator (40) zündbar ist, wodurch der steuerbare Schalter auslösbar ist.

6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugsgl.ed ein Diac (54) ^iSt ₇.

Schutzeinnchtung nach eine, der An.prüehe 3 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß an den Ladekondensator (40) ein die an diesem entstehende Spannung stabilisierendes Bezugsgl.ed mit Schwellwert angeschlossen ist.

8. Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugsgl.ed eine Zener- ^SiA Ausgang der Ring

kerne (34 36) verbunden und durch ein Signa! Kern ^ ^^ _{auslösbar ist}.

vor r*""™ _inrichtung nach einem der Anspru J"■ dadurch gekennzeichnet, daß die steu

!„„ Schalter steuerbare Siliziumgleichrichte;

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(«»< Schutzeinrichtung nach einem der Anspru-

ι *- _dadurch gekennzeichnet, daß der

c^wHlwertkreis (30) ein Steuersignalfilter (6-