DE2715219C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutzeinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Bei einer solchen gattungsgemäßen Fehlerstromschutzeinrichtung nach der US-PS 38 13 579 liegt die Auslösespule für den mechanischen Schaltkontakt mit einem ihrer An­ schlüsse auf der Lastseite dieses Schaltkontaktes, während ihr anderer Anschluß zu der Wechselstromseite eines Vollwellenbrückengleichrichters führt. Der andere Anschluß des Vollwellenbrückengleichrichters ist an den anderen Leiter des zu überwachenden zweiphasigen Strom­ netzes angeschlossen. Die Betätigung der Auslösespule und damit die Auslösung des mechanischen Schaltkontak­ tes geschieht durch einen Thyristor, der zu der Gleich­ spannungsseite des Brückengleichrichters parallelge­ schaltet ist und von einer Auswerteschaltung angesteuert ist, die die Fehlerbedingungen im Netz, nämlich den Erdschluß oder die Erdung des Nulleiters erkennt.

Um Überspannungen von der Schaltung fernzuhalten, liegt parallel zum Stromversorgungseingang dieser Schaltung eine Z-Diode, deren Durchbruchsspannung oberhalb der normalerweise auftretenden Netzspan­ nung liegt, so daß diese Z-Diode normalerweise sich im Sperrzustand befindet.

Wenn die Fehlerbedingung eintritt, triggert die Schal­ tung den Thyristor, der daraufhin den Gleichrichter an seinen Gleichspannungsausgängen kurzschließt, was einen entsprechend höheren Strom durch die Auslöse­ spule und folglich das Auslösen des mechanischen Schaltkontaktes zur Folge hat. Da der Auslösestrom einige Netzperioden lang fließen muß, muß auch dafür gesorgt werden, daß der Thyristor, der an sich beim Unterschreiten des Haltestromes wieder in den Sperrzu­ stand übergeht, beim erneuten Ansteigen der Netzwech­ selspannung in der darauffolgenden Halbwelle von der Schaltung wieder gezündet wird. Die Schaltung muß deswegen auch bei an den Gleichspannungsausgängen kurzgeschlossenem Gleichrichter mit einer Speisespan­ nung versorgt werden, die ihren Betrieb sicherstellt. Hierzu dient ein Speicherkondensator, der über eine Diode ebenfalls zu dem Gleichspannungsausgang des Brückengleichrichters parallelgeschaltet ist und bei gesperrtem Thyristor aus dem Brückengleichrich­ ter nachgeladen wird. Sobald der Thyristor getriggert ist, kann der Speicherkondensator zwar nicht mehr nachgeladen werden, doch verhindert die vorgeschaltete und jetzt in Sperrichtung betriebene Diode ein schlag­ artiges Entladen über den getriggerten Thyristor, so daß die in dem Speicherkondensator enthaltene Ladung die Stromversorgung für die Schaltung aufrechterhal­ ten kann.

Allerdings muß der Kondensator hierfür eine ausreichend große Kapazität aufweisen, damit bis zum Auslösen des mechanischen Schaltkontaktes die Stromversorgung für die Schaltung aufrecht erhalten bleibt, d. h. die Spannung an dem Speicherkondensator darf bis zum Auslösen der mechanischen Schaltkontakte nicht unter einen vorgegebenen Wert, der ein ordnungsgemäßes Ar­ beiten der Schaltung gewährleistet, absinken. Außer­ dem muß der Speicherkondensator die Energie zum wieder­ holten Triggern des Thyristors liefern. Der Speicher­ kondensator ist deswegen verhältnismäßig groß.

Treten im Netz Überspannungen mit wechselnder Polarität auf, so wird die dem Ausgang des Brückengleichrichters parallelgeschaltete Z-Diode thermisch erheblich belastet, weil während beider Halbwellen eine entsprechend große Verlustleistung an der Z-Diode auftritt. Diese Über­ spannungen können beispielsweise auch beim Ansprechen der Fehlerstromschutzeinrichtung auftreten, da sie mit der Lastseite verbunden ist und Induktionsspan­ nungen, die beim Schalten von induktiven Verbrauchern auftreten, unmittelbar in die Stromversorgung der be­ kannten Fehlerstromschutzeinrichtung gelangen.

Aus "Silicon Controlled Rectifier Manual" der Firma General Electric ist es darüber hinaus bekannt, einen Brückengleichrichter aus Avalanche-Dioden aufzubauen, um so eine nachfolgende Thyristorschaltung gegen transiente Überspannungen aus dem Netz zu schützen. Diese Dioden besitzen die Eigenschaft, oberhalb einer vorbestimmten Sperrspannung lawinenartig mit geringem differentiellen Innenwiderstand leitend zu werden.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Fehlerstromschutzeinrichtung zu schaffen, die bei klei­ nen Abmessungen unempfindlich gegen Störspannungen aus dem Netz ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Fehler­ stromschutzeinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent­ anspruches 1 gelöst.

Infolge der Verwendung von Avalanche-Dioden, die zu einem Brückengleichrichter geschaltet sind, sind eigene Schaltelemente entbehrlich, die die über den Brücken­ gleichrichter mit Strom versorgten Bauteile gegen transiente Überspannungen aus dem Netz schützen. Dabei wirkt die Auslösespule als Vorschaltimpedanz zur Strom­ begrenzung, wenn die Dioden infolge der Überspannung in Rückwärtsrichtung leitend werden.

Die besondere Art der Anschaltung des Thyristors, der im Fehlerfall getriggert und damit den erhöhten Stom durch die Auslösespule erzeugt, führt dazu, daß der Thyristor lediglich während einer Halbwelle wirksam ist und während der anderen Halbwelle in Sperrichtung betrieben wird. Während dieser Halbwelle kann deswegen ohne weiteres die Spannungsversorgung für die auf den Fehlerstrom ansprechende und ein Fehlersignal abge­ bende Einrichtung aufrechterhalten werden, so daß keine großen Speicherkapazitäten erforderlich sind.

Beides führt zu einer entsprechenden Miniaturisierung und außerdem zu einer erhöhten Funktionssicherheit, weil weniger Bauteile vorhanden sind.

Auch verbessert sich das Abschaltverhalten des Thyristors, wenn dieser lediglich während einer Netzhalbwelle mit einer Spannung in Durchlaßrichtung, während der nachfolgenden Netzhalbwelle dagegen in Sperrichtung betrieben wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegen­ standes der Erfindung dargestellt.

Die Figur zeigt das Schaltbild der Erdschlußschutzeinrichtung einschließlich der Einrichtung zur Feststellung eines Erdschlusses des Nulleiters und der Abschalteinrichtung.

Die Schaltung weist zwei Differentialtransformatoren T 1, T 2 auf, von denen jeder jeweils mit einem Erd­ schlußfühl-Ringkern 40 und einem Kopplungsringkern 41 versehen ist, durch welche ein stromführender oder "heißer" Leiter L 1 und ein Null-Leiter N 1 verlaufen, die die Primärwicklung bilden. Der stromführende Leiter L 1 ist an die Netzanschlußklemme auf einer Seite der Ringkerne 40, 41 angeschlossen; nach Durchqueren der Ringkerne 40, 41 ist er mit der verbraucherseitigen Anschlußklemme verbunden. Der Null-Leiter N 1 ist auf einer Seite der Ringkerne 40, 41 mit der Netzanschluß­ klemme verbunden, während er auf der anderen Seite nach Durchqueren der Ringkerne 40, 41 an die Verbraucher­ klemme angeschlossen ist.

Der Differentialtransformator T 1 mit dem Ringkern 40 wirkt als sog. Null-Transformator, der das Auftreten eines Erdschlußfehlers auf der Verbraucherseite des stromführen­ den Leiters L 1 feststellt. Ist kein Erdschluß vorhanden, so weisen die von dem in dem stromführenden Leiter L 1 in der einen Richtung und in dem Null-Leiter N 1 in der anderen Richtung fließenden Strom herrührenden Magnet­ felder entgegengesetzte Polarität und Größe auf. Die Magnetfelder heben sich deshalb gegenseitig auf. Tritt jedoch ein Erdschluß des stromführenden Leiters L 1 auf der Verbraucherseite des Ringkernes 40 auf, so fließt ein Teil des Stromes über einen Erdschlußweg und nicht über den Null-Leiter N 1 zu der Stromquelle zurück. Damit werden die Magnetfelder der durch den Ringkern 40 verlaufenden und dort die Primärwicklung des Differential­ transformators bildenden Leiter, d. h. des stromführenden Leiters L 1 und des Null-Leiters N 1, ungleich. Demgemäß heben sich die Magnetfelder nicht mehr auf; es entsteht ein resultierender Magnetfluß, dessen Auftreten von einer Sekundärwicklung 44 auf dem Ringkern 40 festgestellt wird, in der ein Spannungssignal induziert wird.

Die Fühler- und Unterbrecher-Schaltung wird wie folgt mit Strom versorgt: Ein Brückengleichrichter 45 mit Avalanche-Eigenschaften liegt über einen mit einer Seite der Brückenschaltung verbundenen Leiter 48 und einen an der anderen Seite der Brückenschaltung ange­ schlossenen und mit einer Anschlußklemme 50 einer Aus­ lösespule 51 verbundenen Leiter 49 auf der Netz- oder Stromquellenseite von Schaltkontakten 103, 104 zwischen dem stromführenden Leiter L 1 und dem Null-Leiter N 1. Ein Leiter 52 verläuft von einer Anschlußklemme 53 der Auslösespule 51 zu dem Null-Leiter N 1. Der Brückengleich­ richter 45 liefert eine gleichgerichtete Stromversorgung für eine integrierte Schaltung 54, und zwar über Leiter 55, 56, die an Anschlüsse 57, 58 der integrierten Schaltung 54 angeschlossen sind. Die integrierte Schaltung 54 enthält einen Operationsverstärker, einen Spannungsregler und eine Pegelmeßeinrichtung. Die mit 57, 58 bezeichneten Anschlüsse dienen zur Stromversorgung.

Beim Auftreten eines Erdschlusses des stromführenden Leiters L 1 auf der Verbraucherseite des Ringkerns 40 fließt ein Teil des Stromes über einen Erdschlußweg und nicht über den Null-Leiter N 1 zu der Stromquelle zurück, wodurch eine Ungleichheit der Magnetfelder der durch den Ringkern 40 verlaufenden Leiter L 1, N 1 erzeugt wird. Wie bereits beschrieben, wird dadurch ein resul­ tierender Magnetfluß erzeugt, der in einer Sekundärwicklung 44 ein Spannungssignal induziert. Dieses Spannungssignal wird über eine einen zu dem Anschluß 59 (einem inver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkerteiles) führenden Leiter 65 und einen mit dem Anschluß 60 (einem nicht in­ vertierenden Eingang des Operationsverstärkerteiles) verbundenen Leiter 66 enthaltende Eingangsschaltung der Operationsverstärkerstufe der integrierten Schal­ tung 54 zugeführt. Von einer Klemme 68 der Sekundärwicklung 54 führt ein Leiter 67 zu einer Ver­ bindungsstelle 69 mit dem Leiter 65. Ein Leiter 70 geht von der anderen Klemme 71 der Sekundärwicklung 44 zu einem Verbindungspunkt 72 mit dem Leiter 66.

Parallel zu der Sekundärwicklung 44 liegen Dioden 73, 74, die eine Sättigung des Transformator-Ringkernes 40 beim Auftreten sehr großer Werte eines Erdschluß­ stromes verhüten.

Das an den Anschlüssen 59, 60 des Operationsverstärker­ teiles der integrierten Schaltung 54 von der Sekundär­ wicklung 44 empfangene induzierte Spannungssignal wird dem Ausgangsanschluß 61 zugeleitet, von wo aus es über einen, einen zu einem Verbindungspunkt 76 führenden Leiter 75 enthaltenden Gegenkopplungsweg und sodann über einen Leiter 77 und ein 1 M Ω-Potentiometer 78 dem inver­ tierenden Eingang 62 zugeleitet wird. Der Gegenkopplungs­ weg steuert die Verstärkung der Operationsverstärker­ stufe; das Potentiometer kann so eingestellt werden, daß es den Erdschlußauslösestrom einregelt. Es kann z. B. derart eingestellt werden, daß beim Auftreten eines Unterschiedes von 5 Milliampère zwischen den Strömen in dem stromführenden Leiter L 1 und dem Null-Leiter N 1 die Ausgangs-Spitzenspannung des Verstärkers die Bezugsspannung der Pegelmeßstufe über­ schreitet, wie sie von der Spannungsreglerstufe vorgegeben ist, welche ihrerseits eine Gleichspannungsversorgung an den Anschlüssen 57, 58 über einen einen Spannungsabfall hervorrufenden Widerstand 79 von dem Brückengleichrichter 45 erhält. Wenn die Ausgangs-Spitzenspannung der Ver­ stärkerstufe die Bezugsspannung übersteigt, tritt an dem Anschluß 64 der Pegelmeßstufe eine Gleichspannung auf, die einen Thyristor 80 leitfähig werden läßt.

Zwischen den Eingangs-Anschlüssen 62, 63 der Operations­ verstärkerstufe der integrierten Schaltung 54 liegt ein Kondensator 81, der ein Tiefpaßfilter bildet, um eine zusätzliche Unempfindlichkeit gegenüber zufällig auftretenden Rauschsignalen zu ergeben.

Die Gleichspannung wird von dem Anschluß 64 der inte­ grierten Schaltung 54 der Steuerelektrode des Thyristors 80 über eine Leitung 82 zugeleitet. Ein Kondensator 83 liegt zwischen der Kathode und der Steuerelektrode des Thyristors 80, um ein Zünden des Thyristors und ein Auslösen der Schaltung infolge von in der Schaltung auftretendem Rauschen, das von der integrierten Schaltung 54 verstärkt werden kann, zu verhindern.

Wenn der Thyristor 80 leitend wird, wird die Netzspannung an die Auslösespule 51 angelegt, welche auslöst und damit die Schaltkontakte 46, 47 öffnet, die die Netzschaltung unterbrechen. Bei leitendem Thyristor 80 besteht ein Strom­ kreis von dem Null-Leiter N 1 über den Leiter 52, die Anschlußklemmen 50, 53 der Auslösespule 51, die Leiter 49, 84 zu dem Thyristor 80, über Leiter 85, 56, eine Z-Diode 86 und den Leiter 48 zu dem stromführenden Leiter L 1.

Der Vollwellen-Brückengleichrichter 45 enthält Controlled Avalanche-Dioden (Z-Dioden 86, 87, 88, 89). Diese Dioden sind derart ausgelegt, daß der Durchbruch bei einer Spitzenspannung zwischen 200 und 300 Volt erfolgt. Falls eine transiente Spannung von mehr als 300 Volt Spitze zwischen den Leitern L 1, N 1 der Stromversorgungsschaltung auftritt, erfolgt der Durchbruch der Z-Dioden 86 bis 89, womit die Spannung bei einer ungefährlichen Amplitude abgeschnitten und der Thyristor 80 sowie die integrierte Schaltung 54 vor Beschädigungen geschützt sind. Die Impedanz der Auslösespule 51 wirkt als Drossel, durch die beim Auftreten einer solchen großen transienten Spannung der Strom so weit begrenzt wird, daß die Dioden 86-89 geschützt sind. Wegen der Verwendung eines Brückengleichrichters dieser Art mit Z-Dioden ist ein zusätzliches Bauelement wie ein Metalloxyd-Varistor (MOV), wie er sonst bei anderen Erdschlußschutzschaltungen verwendet wird, für den Schutz gegen transiente Impulse unnötig. Der Brückengleichrichter mit Avalanche- oder Lawineneffekt, wie er erfindungsgemäß verwendet wird, erfüllt die beiden Funktionen der Gleichrichtung und gleichzeitig des Schutzes gegen große transiente Überspannungen.

Die Erdschluß-Schutzschaltung ist von der Netzseite der Schaltkontakte 46, 47 aus mit Strom versorgt. Auf diese Weise bleibt der Erdschluß-Schutzschaltung die Stromver­ sorgung selbst nach dem Abschalten des Leistungsschalt­ kreises durch Öffnen der Kontakte 46, 47 erhalten. Bei anderen Einrichtungen dieser Art, bei denen die Erdschluß- Schutzschaltung von der Netzseite aus mit Strom versorgt ist, wird ein eigener Schalter dazu verwendet, die Aus­ lösespule abzuschalten, nachdem sie wegen eines Erd­ schlusses ausgelöst hat. Bei der Erfindung wird ein solcher eigener Schalter zu diesem Zwecke nicht benötigt. Das Problem des Abschaltens der Auslösespule nach der Auslösung beim Auftreten eines Erdschlusses wird dadurch gelöst, daß das anodenseitige Ende 90 des Thyristors 80 an die Wechselspannungsseite des Brückengleichrichters 45 und nicht an die Gleichstromseite angeschlossen ist, wie dies früher üblich war. Dies bedeutet, daß der Thyristor 80 mit Halbwellen arbeitet und bei jeder Periode einmal ab­ schaltet. Wenn deshalb der Erdschluß durch Öffnen der Schaltkontakte beim nächsten Netzspannungs-Null-Durchgang behoben ist, schaltet der Thyristor 80 ab.

Es ist eine Prüfschaltung vorgesehen, die einen 15 K Ω- Widerstand 91 enthält, der in Reihe mit einem Prüfschalter 92 in einem Leiter 93 liegt, der seinerseits von einem Verbindungspunkt 94 mit dem stromführenden Leiter L 1 auf der Verbraucherseite des Differential-Transformator- Ringkern 40 zu einem Verbindungspunkt 95 mit dem auf der Netzseite des Ringkernes 40 zu dem Null-Leiter N 1 führenden Leiter 49 geht. Wenn der Prüfschalter 92 geschlossen wird, tritt an dem Ringkern 40 eine Stromun­ gleichheit auf, weil Strom den Null-Leiter an dieser Stelle umgeht und von dem Verbindungspunkt 54 aus über die Prüfschaltung zu dem Null-Leiter zurückfließt. Bei ordnungsgemäßem Arbeiten der Erdschluß-Schutzschaltung ruft dieser Stromunterschied ein Auslösesignal aus, das verstärkt wird und das dann in der beschriebenen Weise die Schaltung auslöst.

Die Erdschluß-Schutzschaltung enthält auch eine Schutz­ einrichtung gegen das Auftreten eines Erdschlusses des Null-Leiters, der, wenn er nicht festgestellt und behoben würde, die Empfindlichkeit der Schaltung beeinträchtigen würde. Dieser Schutz gegen einen Erdschluß des Null-Leiters wird in der folgenden Weise erreicht:

Der Kopplungstransformator T -2 mit dem eine Wicklung 96 tragenden Ringkern 41 ist an den Ausgang 61 der Operationsverstärkerstufe der integrierten Schaltung 54 über eine Gegenkopplungsschaltung angeschlossen. Ein Leiter 97 führt von einer Klemme 98 der Wicklung 96 zu einem Verbindungspunkt 76, wo er eine Ausgangsgröße von dem Anschluß 61 der Operationsverstärkerstufe erhält. In dem Leiter 97 liegen ein Kondensator 99 und ein Widerstand 100 in Reihe, die eine Rückkopplung von der Ausgangsstufe des Operationsverstärkers zu der auf dem Ringkern 41 befindlichen Transformatorwicklung 96 des Transformators T -2 bilden. Die andere Klemme 101 der Wicklung 96 ist über einen Leiter 101 a mit der Klemme 71 der Sekundärwicklung 44 des Ringkerns 40 des Differen­ tialtransformators T -1 verbunden.

Der Transformator T -2 und die Schaltung, in der er liegt, befinden sich im Ruhezustand, wenn in der Netzschaltung normale Bedingungen vorliegen und auf der Verbraucher­ seite des Transformators T -2 kein Erdschluß des Null- Leiters N 1 vorhanden ist. Wird jedoch der Null-Leiter N -1 auf der Verbraucherseite der Ringkerne 40, 41 über eine Impedanz von 4 Ω oder weniger geerdet, so entsteht eine Rückkopplungsschaltung, über die eine Windung bildende Leiterschleife, die aus dem durch die beiden Ringkerne 40, 41 verlaufenden Null-Leiter N 1 besteht; dadurch werden die Transformatoren T -1 und T -2 magnetisch mit­ einander gekoppelt. Diese Rückkopplungsschleife bringt die Operationsverstärkerstufe des integrierten Schalt­ elementes 54 zum Schwingen. Die Schwingung wird von der Pegelmeßstufe des integrierten Schaltelementes 54 in der gleichen Weise festgestellt, wie eine Signalspannung, die sich beim Auftreten eines Erdschlusses einstellt. Es tritt deshalb an dem Anschluß 64 der Pegelmeßstufe des integrierten Schaltelementes 54 eine Ausgangsspannung auf, die den Thyristor 80 zündet und damit die Auslöse­ spule 51 veranlaßt, die Schaltkontakte 46, 47 zu öffnen und die Schaltung zu unterbrechen.

Die Schaltung und die oben beschriebenen Schaltelemente unterbrechen deshalb die Netzschaltung sowohl beim Auf­ treten eines Erdschlusses auf der Verbraucherseite der Ringkerne 40, 41 als auch beim Auftreten eines Erdschluß­ fehlers an dem Null-Leiter N 1 auf der Verbraucherseite der Ringkerne 40, 41.

Claims (1)

1. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung mit zwei oder mehr an ein wenigstens zwei Leiter aufweisendes Stromnetz angeschlos­ senen elektrischen Schaltkontakten, einer Auslösespule, von der ein Anschluß einem ersten Leiter zugeordnet ist, einem Brückengleichrichter, dessen einer Wechselspannungs­ anschluß mit einem zweiten der Leiter des Stromnetzes unmittelbar und dessen zweiter Wechselspannungsanschluß mit dem zweiten Anschluß der Auslösespule verbunden ist, sowie mit einem auf einen Fehlerstrom ansprechenden und ein Fehlersignal abgebenden Einrichtung, die vom Brückengleichrichter mit Strom versorgt wird, und mit einem auf das Fehler­ signal ansprechenden Thyristor, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem einen Anschluß an den einen Leiter des Stromnetzes an­ geschlossene Auslösespule (51) eine vorbestimmte Impe­ danz darstellt, daß die Anode des Thyristors an der Auslösespule (51) sowie an einem Wechselspannungsan­ schluß (49) des Brückengleichrichters (45) und die Kathode des Thyristors am Minus-Anschluß (56) des Brücken­ gleichrichters (45) liegt, wobei der Brückengleichrich­ ter (45) aus Controlled-Avalanche-Dioden (86 bis 89) auf­ gebaut ist.