DE2602534A1

DE2602534A1 - Fehlerstrom-schutzschalter

Info

Publication number: DE2602534A1
Application number: DE19762602534
Authority: DE
Inventors: Bernd Josef Siepmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-01-23
Filing date: 1976-01-23
Publication date: 1977-07-28
Also published as: US4135222A; JPS5291148A; FR2339247A1; DK14277A; DK145279B; ES454612A1; BE850638A; GR66105B; GB1571819A; AT357218B; ATA984376A; FR2339247B1; IT1076525B; DK145279C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fehlerstromschutzschalter mit in jeden Leitungsweg des Versorgungsnetzes eingeschleiften Wicklungen mindestens eines Differenzübertragers, die durch Differenzmessung einen Fehlerstrom gegen Erde feststellen und über Steuer- und Schaltmittel das Versorgungsnetz abschalten.

Im allgemeinen werden heute alle elektrischen Geräte mit berührbaren Metallteilen geerdet, um an diesen gefährliche Körperspannungen durch Isolationsschäden zu vermeiden. Da diese Schutzleitungen aber fehlerhafterweise unterbrochen sein können, werden außerdem Fehlerstrom-Schutzschalter vorgesehen. Diese schalten bei Auftreten von Fehlerströmen vorgegebener Größe gegen Erde die Versorgungsspannung ab. Sie sollen so empfindlich ausgebildet sein und so schnell ansprechen, daß sogar bei der Erdung eines fehlerhaften Gerätes durch einen Menschen keine gefährlichen Körperströme auftreten können.

Bisher bekannte Fehlerstrom-Schutzschalter arbeiten mit einem Differenzübertrager, bei dem sämtliche Meßwicklungen für die Leitungswege des Versorgungsnetzes so geschaltet sind, daß sich ihre Ströme im Normalfall aufheben. Damit erhält die Auslösespule des Fehlerstrom-Schutzschalters im Normalfall keine Spannung und läßt den Schutzschalter nicht ansprechen. Fehlerströme stören dagegen dieses Gleichgewicht' in den Meßwicklungen und induzieren eine Spannung

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in die Auslösewicklung und bringen so den Schutzschalter zum Ansprechen. Heute mögliche hochwertige Übertrager können den Auslösestrom auf ca. 30 Milliampere reduzieren, doch ist damit die Gefährdung des Menschen durch Körperstrom noch nicht völlig auszuschließen.

Weiterhin wird durch einen Gleichstromanteil des Fehlerstromes auch bei diesen hochwertigen Übertragern ihre Übertragungseigenschaft verschlechtert, da sie unempfindlicher werden oder sogar bei einem sehr hohen Gleichstromanteil der Fehlerströme überhaupt nicht mehr ansprechen. Nun bringt die neuere Entwicklung in der Elektrotechnik auch in normalen Elektrogeräten eine immer stärkere Verwendung von Halbleitern, die Fehlerströme mit hohen Gleichstromanteilen nach sich ziehen können. In all diesen Fällen sind aber die bisher bekannten Fehlerstrom-Schutzschalter kaum brauchbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten Fehlerstrom-Schutzschalter zu vermeiden, also solche zu schaffen, die bereits bei noch unschädlichen Körperströmen entsprechend schnell ansprechen und die insbesondere auch ein hoher Gleichstromanteil nicht funktionsunfähig macht. Erfindungsgemäß wird dies bei einem Fehlstrom-Schutzschalter mit einem Differenzübertrager dadurch erreicht, daß ein Schwingungsgenerator den Kern des Übertragers auf seine Magnetisierung überprüft und bei einer Änderung seiner Übertragungseigenschaften infolge einer "FehP'-magnetisierung durch einen Fehlerstrom, vorzugsweise durch Änderung des Schwingungsgenerator-Innenwiderstandes, die Steuer- und Schaltmittel auslöst. Es ist auch vorteilhaft, als AuslösekrLterium für die Steuer- und Schaltmittel das Aussetzen der Schwingungen des Generators zu verwenden. Auch ist es vorteilhaft, die Betriebsgleichspannung des Schutzschalters mittels eines Spannungsnormals,

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vorzugsweise einer Zenerdiode in Verbindung mit einem Transistor, so zu stabilisieren, daß bei der unteren Gefahrenspannung ein Betrieb möglich ist. Diese beträgt z.B. für Deutschland ca. 70 Volt. Vorteilhafterweise kann der Schutzschalter zwei Übertrager aufweisen, deren Meßwicklungen in den Leitungswegen des Versorgungsnetzes gleichsinnig und deren Abfragewicklungen für den Schwingungsgenerator gegensinnig beschaltet sind. Dadurch wird die Übertragung der Schwingungen des Schwingungsgenerators vom Fehlerstrom-Schutzschalter in das Netz als Störspannung verhindert .

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.

Es zeigen

Fig. 1 ein Drehstromnetz in Betrieb und dabei mögliche Fehlerströme gegen Erde mit einem bekannten Fehlerstrom-Schutzschalter,

Fig. 2 einen Fehlerstrom-Schutzschalter mit Schwingungsgenerator,

Fig. 3 einen Fehlerstrom-Schutzschalter mit zwei Übertragern,

Fig. 4 einen Fehlerstromschutzschalter mit zwei zusammengekoppelten Übertragern,

Fig. 5 einen Fehlerstrom-Schutzschalter mit Differenzstrommessung am Schwingungsgenerator und

Fig. 6 einen Fehlerstrom-Schutzschalter, der nach dem Prinzip eines Magnetverstärkers arbeitete

Drei Geräte, nämlich ein Motor Mo, eine Lampe La und ein Fernseher Fe sind gem. Fig.1 an das Drehstromnetz R^!, S¹, T¹ MP¹ angeschlossen. Ihre Gehäuse sind durch Schutzleitungen über einen zulässigen Mindestwiderstand Wi_z geerdet. Der bekannte Überstromschalter besteht aus einem Übertrager Ue1,

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der Steuerspule Sp1 und dem Schalter Sch, durch den die Geräte vom Drehstromnetz R,S,T,MP abgetrennt werden können. Die "einzelnen Schaltelemente des Schalters Sch sind zum Einschalten der Stromkreise von Hand gegen die Kraft einer Feder einzudrücken und werden dann durch einen Arretierhebel gehalten. Dieser Arretierhebel kann seinerseits beim Ansprechen des Fehlerstrom-Schutzschalters durch die Steuerspule Sp1 gelöst und damit der Schalter Sch abrupt geöffnet werden. Zunächst sollen die drei Geräte, nämlich der Motor Mo, die Lampe La und das Fernsehgerät Fe, ohne Fehlerstrom betrachtet werden.

Damit fließen in den einzelnen Leitungen nur die Ströme «L· bis J,, die sich in jedem Zeitpunkt,wie aus Gleichung.1) zu ersehen ist, aufheben und die deshalb im Übertrager Ue1 keine Wirkung hervorrufen. Betrachtet ist als Beispiel der Zeitpunkt, in dem der Motorstrom der Phase R ein Maximum hat. Tritt dagegen im Motor Mo, der durch einen Blitz gezeichnete Fehlstrom Jp_Mo auf, so erscheint dieser auch im Übertrager Ue1, wie sich aus Gleichung 2) ergibt. Dieser Strom J_FMo wirkt auf die Steuerspule Sp1 und bringt bei entsprechender Dimensionierung den Fehlerstrom-Schutzschalter zum Ansprechen. Tritt dagegen ein Fehlerstrom «^jgim Fernsehgerät Fe auf, so bewirkt der Richtleiter Di wegen Halbwellenbetriebes eine Gleichstrom-Magnetisierung des Übertragers Ue1, die dieser nicht übertragen kann. Vergleiche hierzu Gleichung 3). Trotz eines erheblichen Fehlerstromes spricht also in diesem Fall der Fehlerstrom-Schutzschalter nicht sicher an.

In Fig.2 sind die Kollektor- und Basisleitungen der Transistoren Tr1, Tr2 über Wicklungen des Übertragers Ue2 geführt. Es liegen also die Basisleitungen über den Widerstand Wi1 und die Kollektorleitungen über der Steuerspule Sp2 an der Betriebsspannung Be (+) und der Kondensator Co1 zwischen den Kollektoranschlüssen und der Betriebsspannung Be (-). Solange hier die über den Übertrager Ue2 rückgekoppelten

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Transistoren Tr1, Tr2 als a-stabile Kippstufe Rechteckschwingungen erzeugen, ist ihr Widerstand so groß, daß die Steuerspule Sp2 nicht wirksam wird. Wird dagegen der Kern des Übertragers Ue2 durch einen Fehlerstrom magnetisiert, so hört die a-stabile Kippstufe Tr1, Tr2 auf zu schwingen und läßt über die Steuerspule Sp2 den Schalter Sch ansprechen. Damit die Betriebsspannung Be auch bei Ausfall einer Phase nicht fehlt, wird sie über die Richtleiter Di1 bis Di8 in Gleichrichter-Graetzschaltung parallel von sämtlichen Phasen R,S,T,MP entnommen. Die Zenerdiode Ze in Verbindung mit dem Widerstand Wi2 und dem Transistor Tr3 dient zur Spannungsstabilisierung der Betriebsspannung Be von etv/a 70 Volt. Dieser Wert entspricht der in Deutschland zulässigen Gefahrenspannung von ca. 70 Volt Scheitelspannung.

In Fig.3 wurde der rechte, zur Erzeugung der Betriebsspannung Be erforderliche Teil der Schaltung weggelassen, da sich hier und in den weiteren Figuren 4 und 5 nichts gegenüber Fig.2 ändert. Hierbei sind anstelle des Übertragers Ue2 zwei Übertrager Ue3, Ue4 vorgesehen, die mit ihren Meßwicklungen gleichsinnig in die einzelnen Leitungswege des Versorgungsnetzes eingeschleift sind. Dagegen wurden die Wicklungen der Transistoren Tr1, Tr2 so gegeneinander gegensinnig geschaltet, daß die Rechteckschwingung der anstabilen Kippstufe nicht als Störspannung in das Versorgungsnetz eingespeist werden kann. Anstelle der Spule Sp2 in Serie mit der anstabilen Kippstufe Tr1, Tr2 kann der Widerstand Wi3 und die ebenfalls gestricheltgezeichnete Spule Sp3 vorgesehen werden. Letztere liegt parallel zu der anstabilen Kippstufe, so daß sie normalerweise Spannung erhält und erst bei Aussetzen der Schwingungen nicht mehr ausreichend erregt wird. In diesem Fall wird also nicht durch den Arbeitsstrom, sondern durch den

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Ruhestrom der Schalter Sch des Fehlstrom-Schutzschalters ausgelöst. Damit kann durch den Fehlerstrom-Schutzschalter gleichzeitig eine Überprüfung der Netzspannung vorgenommen ■werden. Bei dieser Anordnung kann auf die Stabilisierung der Betriebsspannung Be verzichtet werden, da dann gerade starke Spannungsunterschiede von Vorteil sind.

Auch in Fig.4 sind den Transistoren Tr1, Tr2 die beiden Widerstände Viii, Wi3 vorgeschaltet. Außerdem sind die beiden Übertrager Ue5, Ue6 über je eine Wicklung zusammengekoppelt und in diesen Koppelkreis ist der Widerstand Wi4 geschaltet. Stromänderungen in diesem Koppelkreis wirken über den Verstärker Ve1 und die Richtleiterbrücke Di9 bis Di12 auf die Steuerspule Sp4, die ihrerseits den Schalter Sch des Fehlerstrom-Schutzschalters auslöst.

In Fig.5 sind nur ein Übertrager Ue7 vorgesehen, und hier wird mittels der 'Widerstände Wi6 bis Wi8 die Differenz der durch den Verstärker Ve2 verstärkten Kollektorströme der Transistoren Tr1, Tr2 zum Steuern der Spule Sp5 ausgenützt .

In Fig.6 sind die Übertrager Ue8, Ue9 ebenfalls durch die Leitung Kw zusammengekoppelt. Der Generator Ge steuert die Spule Sp6 über die Richtleiterbrücke Di13 bis Dii6 nach dem Prinzip eines Magnetverstärkers. Im Ruhezustand ohne Fehlströme wirken beide Wicklungen auf Ue8 und Ue9 wie Drosselspulen,die kaum einen Strom durchlassen. Durch die Vormagnetisierung eines dieser Übertrager Ue8, Ue9 bei einem Fehlstrom verschiebt sich dieses Gleichgewicht, so daß dann eine Stromrichtung stark ansteigt und die Steuerspule Sp6 zum Ansprechen bringt.

6 Figuren

14 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1.yFehlstrom-Schutzschalter mit in jeden Leitungsweg des ^—s Versorgungsnetzes eingeschleiften Wicklungen mindestens eines Differenzübertragers, die durch Differenzmessung einen Fehlerstrom gegen Erde feststellen und über Steuer- und Schaltmittel das Versorgungsnetz abschalten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungsgenerator (Tr1, Tr2) den Kern des Übertragers (Ue1) auf seine Magnetisierung überprüft und bei einer Änderung seiner Übertragungseigenschaft infolge einer "Fehl"-magnetisierung durch einen Fehlerstrom, vorzugsweise durch Änderung des Schwingungsgenerators-Innenwiderstandes die Steuer- und Schaltmittel (Sp, Sch) auslöst.

2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechteckschwingungsgenerator (Tr1, Tr2) vorgesehen ist.

3. Schutzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungsgenerator (Tr1, Tr2) mit einer höheren Frequenz als der des Versorgungsnetzes (R,S,T) vorgesehen ist.

4. Schutzschalter nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Auslösekriterium für die Steuer- und Schaltmittel (Sp, Sch) das Aussetzen der Schwingungen des Generators (Tr1, Tr2) verwendet wird.

5. Schutzschalter nach Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß seine Betriebsgleichspannung (Be) über Graetzgleichrichter (Di1...Di8) zwischen Jeder Phase (R,S,T) und dem Mittelwertleiter (MP) abgreifbar ist.

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ORIGINAL JNSPICTHD

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6. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß seine Betriebsgleichspannung (Be) mittels eines Spannungsnormals, vorzugsweise einer Zenerdiode (Ze) in Verbindung mit einem Transistor (Tr3) und einem Widerstand (Wi2) so stabilisiert ist, daß bei der unteren Gefahrenspannung der Betrieb noch sicher ist (für Deutschland etwa 70 Volt).

7. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Übertrager (Ue3, Ue4) aufweist, deren Wicklungen in den Leitungswegen des Versorgungsnetzes gleichsinnig und deren Abfragewicklungen für den Schwingungsgenerator (Tr1, Tr2) gegensinnig, parallel oder in Serie beschaltet sind.

8. Schutzschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungswicklu-ngen des Schwingungsgenerators (Tr1, Tr2) nur auf einem Übertrager (Ue3) beschaltet sind.

9. Schutzschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Übertrager (Ue5, Ue6) durch je eine ihrer Wicklungen zusammengekoppelt sind, und daß die Abfragewicklungen nur eines Übertragers (z.B. Ue6) mit dem Schwingungsgenerator (Tr1, Tr2) beschaltet sind.

10. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sein Auslöseschalter (Sch) entgegen der Kraft einer vorgespannten Feder durch eine mechanische Arretierung gehalten ist, die durch die Steuerspule (Sp) auslösbar ist.

11. Schutzschalter nach einem der .Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß seine Steuerspule (Sp) wahlweise als Arbeitsstrom- bzw. Ruhestromauslösung verwendbar ist.

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-Sr-

12. Schutzschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, ' daß der Strom in diesen zusammengekoppelten Wicklungen vorzugsweise über einen Verstärker (Ve1) als Auslösekriterium verwendbar ist.

13. Schutzschalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Strommeßmittel (Wi7, Wi8) in den Kollektorkreisen der Schwingungsgeneratoren (Tr1, Tr2) einen Differenzstrom bilden und dieser vorzugsweise über einen Verstärker (Ve2) als Auslösekriterium verwendbar ist.

14. Schutzschalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Übertrager (Ue8, Ue9) mit Meßwicklungen in den Leitungswegen (R'... MP¹) des Ver-" sorgungsnetzes aufweist, wobei beide Übertrager (Ue8, Ue9) durch je eine ihrer Wicklungen zusammengekoppelt sind, und daß der Schwingungsgenerator (Ge) in Verbindung mit (mindestens zwei Richtleitern (Di13, Di15) und) den beiden Übertragern (Ue8, Ue9) als Magnetverstärker arbeitet, der die Steuer- und Schaltmittel (Sp, Sch) auslöst.

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