DE3633787A1 - Reststromunterbrechungsschaltung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Reststromunterbrechungsschaltungen, die ebenfalls als Erdleckstromunterbrechungsschaltungen bekannt sind.

Reststromunterbrechungsschaltungen haben allgemein einen Solenoidschalter zum Abschalten einer Last von einer elektrischen Versorgung im Falle eines Fehlers, d. h. falls ein Erdleckzustand erfaßt wird. Der Vorteil eines Solenoidschalters besteht darin, daß dieser eine vollständige elektrische Isolierung der Last von der Spannungsversorgung aufgrund eines geöffneten Spaltes zwischen den Schaltkontakten gewährleistet, wodurch eine erhöhte Sicherheit erreicht wird. Typischerweise ist die kürzeste Zeit, die für das Öffnen der mechanisch betätigten Schaltkontakte benötigt wird, in der Größenordnung von 0,04 Sekunden. Obwohl diese Betätigungszeit kurz ist, kann während dieser Zeit eine erhebliche Menge an elektrischer Energie fließen. In Abhängigkeit von der Größe des fließenden Stromes wird die Gefährdung der betreffenden Person durch Kontraktion der Muskeln bestimmt durch die Zeit, die benötigt wird, um die Leistung abzukoppeln. In dem Fall, in dem der Phasenleiter direkt gegen Masse kurzgeschlossen wird, kann ein ausreichend hoher Strom fließen, der eine Sicherung für 13 Ampere durchbrennen läßt, bevor die Schaltkontakte geöffnet werden.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich damit, diesem Problem zu begegnen.

Erfindungsgemäß ist eine Reststromunterbrechungsschaltung vorgesehen, die folgende Merkmale aufweist: ein Paar von Leitern zum Anschließen einer Last an eine elektrische Leistungsversorgung, eine Fühlereinrichtung zum Ermitteln, ob die in den Leitern fließenden Ströme um einen vorbestimmten Betrag voneinander abweichen, ein mechanisches Schaltgerät mit Kontakten, die geöffnet werden können, zu einen Stromfluß zu der Last zu unterbrechen, eine an die Fühlereinrichtung angeschlossene Einrichtung zum Erregen eines Solenoides zum Öffnen der Schalterkontakte, wenn eine vorbestimmte Stromdifferenz erfaßt wird, und ein Festkörperschaltgerät mit einem Steuereingang, der an die Fühlereinrichtung für das Gerät angeschlossen ist, um den elektrischen Stromfluß zu der Last schneller zu unterbrechen als diejenige Zeit, die benötigt wird, damit das Solenoid die Schaltkontakte öffnet, wenn die vorbestimmte Stromdifferenz erfaßt wird.

Das Festkörperschaltgerät kann einen Thyristor enthalten und ist vorzugsweise ein Triac. Wenn die Wechselstromversorgung eine Netzfrequenz von 50 Herz hat, kann der Triac den Strom innerhalb von 0,01 Sekunden abschalten, d. h. in nicht mehr als einem halben Zyklus der Stromversorgung. Diese Zeit liegt erheblich unterhalb des Minimums von 0,04 Sekunden, die mechanische Schaltkontakte zum Öffnen benötigen.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Schaltungsdiagramm der erfindungsgemäßen Reststromunterbrechungsschaltung.

Die Reststromunterbrechungsschaltung hat einen Fühler bzw. ein Fühlergerät mit einem magnetischen Kern 1 in der Form eines Toroides, der lediglich von einem einzigen schmalen Luftspalt unterbrochen ist. In dem Luftspalt liegt ein integriertes Schaltungselement 2, das nach dem linearen Hall-Effekt arbeitet, vorzugsweise mit einer Gleitpassung oder mit einem schmalen Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Polteilen des Kernes. Das Element 2 hat eine derartige Größe, daß im wesentlichen der gesamte magnetische Fluß zwischen den Polstücken durch das Element gerichtet wird. Zwei Leiterspulen 3, 4 sind mit einer gleichen Anzahl von Wicklungen an entgegengesetzten Seiten des Kernes aufgebracht, wobei die Leitern derart angeschlossen sind, daß die von ihnen geführten Ströme entgegengesetzt gerichtete magnetische Flüsse durch die geschlossene magnetische Schaltung induzieren, die durch den Kern 1 festgelegt wird und durch das Hall-Element 2 unterbrochen wird. Wenn daher die in den jeweiligen Leitern fließenden Ströme einander gleich sind, liegt kein resultierender Fluß in dem magnetischen Kreis vor, so daß durch das Hall-Element 2 kein Ausgangssignal erzeugt wird. Wenn die von den Leiterspulen geführten Ströme voneinander abweichen, wird ein magnetischer Fluß in den Kern 1 induziert, dessen Intensität von der Differenz zwischen den elektrischen Strömen abhängt, woraufhin das Hall-Element 2 ausgangsseitig ein Signal erzeugt, das proportional zu dem sich ergebenden magnetischen Fluß ist. Um die Komponenten in dem Fühlergerät in der richtigen Lage zueinander zu halten, können diese in einem geeigneten Umkappselungsmaterial eingebettet sein. Aus Gründen der magnetischen Abschirmung kann dieses mit einer Schicht aus Eisenmaterial umgeben sein.

Das Fühlergerät ist elektrisch mit einer Reststromunterbrechungsschaltung verbunden, die die Zuführung von elektrischer Leistung zu einer Last oder einem Verbraucher 10 (in gestrichelten Linien darstellt) von einer Leistungsquelle steuert, die beispielsweise durch das Wechselstromnetz gebildet sein kann. Die Unterbrechungsschaltung hat ein Schaltgerät, das durch ein Auslösesolenoid 11 und einen Doppelpolschalter gebildet wird, der zwei Kontaktsätze RC 1 und RC 2 aufweist, durch die die Leiter 3, 4 jeweils an die Klemmenanschlüsse 12, 13 angeschlossen sind, um die Phasenseite und die neutrale Seite mit der Leistungsversorgung zu verbinden. Der Schalter ist von Hand betätigbar, um die Kontakte RC 1, RC 2 zu öffnen und zu schließen. Das Solenoid ist angeordnet, um die Schaltkontakte aus dem geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand bei Erregen des Solenoides auszulösen. Die Last 10 liegt zwischen den Ausgangs-Klemmenanschlüssen 14, 15 an den anderen Enden der Leiter 3, 4. Die Ausgangsklemme des Hall-Effekt-Elementes 2 ist mit der Eingangsklemme eines Signalprozessors 16 verbunden, der nachfolgend näher erläutert wird.

Um eine Gleichstromversorgung für das Hall-Effekt-Element und den Signalprozessor 16 zu schaffen, sind ein Widerstand 17 und eine Gleichrichterbrücke 18 in Reihe über die Leistungseingangsklemmen 12, 13 durch die Leitungen 19, 20 angeschlossen. Die Ausgangsspannung der Brücke 18 wird einem Paar von Gleichstromleitungen 21, 22 zugeführt und beispielsweise bei 5 Volt Spannung mittels einer Zener Diode 23 und eines Kondensators 24, die parallel zwischen den Leitungen 21, 22 liegen, stabilisiert. Die stabilisierte Gleichstromspannung wird dem Hall-Effekt-Element 2 zugeführt und dem Signalprozessor (über eine nicht gezeigte Verbindung) durch die Leitungen 21, 22 zugeführt.

Der Signalprozessor hat eine Wechselspannungskoppelung 25, einen Wechselstromverstärker 26, einen Präzisionsgleichrichter 28, einen Vergleicher 29 und einen optischen Isolator 30, wobei diese Teile in dieser Reihenfolge angeschlossen sind. Die Wechselspannungskoppelung 25 ist vorzugsweise ein einfacher Kondensator und filtert Gleichstromkomponenten aus dem Signal aus, das durch das Hall- Effekt-Element 2 erzeugt wird, bevor das Signal zur Eingangsseite des Wechselstromverstärkers 26 zugeführt wird. Das verstärkte Signal von dem Ausgangsverstärker 26 wird zu dem Eingang des Präzisionsgleichrichters 28 zugeführt, der dieses in ein Gleichspannungssignal umformt. Daher ist das vom Ausgang des Gleichrichters ausgesandte Signal proportional zum Wechselspannungssignal des Hall-Elementes 2, und somit zu dem Fluß in dem magnetischen Kern 1 und dadurch proportional zur Differenz der elektrischen Ströme, die in den beiden Leitern, 3, 4 fließen. Der Vergleicher 29 vergleicht das Ausgangssignal des Gleichrichters mit einer Bezugsspannung, die vorzugsweise mittels eines Spannungsteilers erhalten wird, der über die beiden Gleichspannungsleitungen 21, 22 geschaltet ist. Der Gleichspannungsteiler hat die Form eines Potentiometers 31, dessen Schleifkontakt an den Vergleicher angeschlossen ist. Anstelle des Potentiometers können jedoch auch zwei Widerstände verwendet werden. Die Referenzspannung wird auf ein derartiges Spannungsniveau eingestellt, das in der Größenordnung von 3 Volt liegt, daß es normalerweise größer ist als das Signal, das vom Gleichrichter 28 geliefert wird, wobei jedoch das letztgenannte Signal die Bezugsspannung übersteigt, wenn eine vorbestimmte Ungleichgewichtigkeit zwischen den Strömen in den Leitern 3, 4 auftritt. Der Vergleicher vergleicht die beiden Eingangssignale, die ihm zugeführt werden, und erzeugt lediglich dann ein Ausgangssignal, wenn das Signal vom Gleichrichter 28 größer als die Bezugsspannung ist. Das Ausgangssignal von dem Vergleicher 29 wird zum Eingang eines Diskriminatorgerätes oder Unterscheidungsgerätes 33 zugeführt.

Der Diskriminator 33 hat zwei Ausgänge 34, 35, von denen der erste über einen Widerstand 50 an den Steuereingang eines Triac 51 angeschlossen ist, welches in Reihe zur Erregerspule des Auslöse-Solenoids 11 quer zu den beiden Hauptstromleitern 3, 4 geschaltet ist. Der zweite Ausgang des Diskriminators 33 wird über einen Widerstand 53 zum Steuereingang eines Triac 54 zugeführt, der direkt in dem Phasenleiter 3 liegt.

Die Signale der beiden Ausgänge des Diskriminators 33 sind gegeneinander um 180° phasenverschoben. Mit anderen Worten liegt kein Signal am ersten Ausgang 34, wenn ein Signal vom zweiten Ausgang 35 abgegeben wird, und umgekehrt. Während normalen Betriebsbedingungen, d. h. wenn der gleiche Strom in den Leitern 3 und 4 fließt, liegt kein Signal vom Komparator 29 vor, so daß der Diskriminator 33 ein Signal an den zweiten Ausgang 35 erzeugt, so daß das Triac 54 in seinem leitenden Zustand für den Hauptstrom, der zur Last 10 zugeführt wird, bleibt. Es ist kein Signal an dem ersten Ausgang 34, so daß das Triac 51 nichtleitend ist und daß das Solenoid 11 nicht erregt bleibt. In diesem normalen Zustand des Solenoides 11 können die Kontaktsätze RC 1, RC 2 zum Verbinden der Last mit der Leistungsversorgung geschlossen werden. Das Triac 51 ist betätigbar, um das Solenoid zum Öffnen der Kontaktsätze RC 1, RC 2 zu erregen, und um dadurch die Last 10 von der Leistungsversorgung abzuschalten.

In Reaktion auf eine Fehlerbedingung oder einen Fehlerzustand, d. h. in Reaktion auf eine Differenz der Strompegel von 10 mA in den Leitern 3, 4 steigt das Signal von dem Hall-Element 2 auf einen derartigen Pegel an, daß das Spannungssignal vom Gleichrichter 28 die Bezugsspannung übersteigt, woraufhin ein Ausgangssignal durch den Vergleicher 29 erzeugt wird. Demgemäß wird das zweite Ausgangssignal 35 des Diskriminators 33 abgeschaltet und gleichzeitig ein Signal am ersten Ausgang 34 erzeugt. Das Triac 54 spricht hierauf an, indem es nichtleitend wird, um den Fluß des Netzstromes zu der Last 10 zu unterbrechen. Diese Unterbrechung tritt innerhalb eines halben Zyklus der Versorgungswechselspannung auf, d. h. innerhalb von 0,01 Sekunden bei einer 50 Herz-Netzfrequenz. Daher wird der Strom, der zu der Last 10 fließt, abgeschaltet, bevor die Kontaktsätze RC 1, RC 2, die durch das Solenoid 11 aufgrund der Trägerung des Triac 51 betätigt werden, geöffnet sind, um die Verbindung zwischen der Last 10 und der Netzversorgung zu unterbrechen, wobei mindestens 0,04 Sekunden für das Öffnen der Schaltkontakte benötigt werden.

Wenn die Kontakte RC 1, RC 2 geöffnet worden sind, kehren die Ausgänge des Diskriminators 33 in den Normalzustand zurück wobei unter der Voraussetzung, daß der für den Erdleckstrom verantwortliche Fehler behoben worden ist, der Doppelpolschalter von Hand rückgesetzt worden ist, um die Kontakte zu schließen und um erneut die elektrischen Strompfade zwischen der Last und der Leistungsversorgung herzustellen.

Die schnellere Stromunterbrechung durch Einbeziehung des Triac 54 hat folgende Vorteile:

a) es tritt ein erheblich geringerer Schock für das Nervensystem der Person auf, die dem Erdleckstrom ausgesetzt ist, da eine verkürzte Isolationszeit erreicht wird;

b) eine erheblich geringere elektrische Leistung fließt vor der Unterbrechung, wobei insbesondere dann, wenn der Phasenleiter direkt gegen Masse kurzgeschlossen wird, die Leistung niedrig genug bleibt, damit eine 13-Ampere- Sicherung nicht durchbrennt;

c) eine Reststromunterbrechungsschaltung, die dazu geeignet ist, auf einen Erdleckstrom von beispielsweise 10 mA anzusprechen, unterbricht die Leistungsversorgung, bevor eine weitere Unterbrechungsschaltung vor oder hinter der vorliegenden Schaltung, die beispielsweise auf einen höheren Leckstrom von 20 mA anspricht, betätigt wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein Triac erläutert worden ist, das eine schnelle Stromunterbrechung gewährleistet, versteht es sich für den Fachmann, daß andere Thyristorgeräte verwendbar sind, wie beispielsweise zwei gegensinnig geschaltete SCR's (Silizium-gesteuerte Gleichrichter).

Die Wechselstromkopplung 25, die am Eingang des Signalprozessors vorgesehen ist, arbeitet als Sicherheitsgerät, um ein Außerkraftsetzen der Schaltungsunterbrechung durch Anordnen eines Permanentmagneten in der Nähe des Sensors oder Fühlers unmöglich zu machen.

Zum Überprüfen der Unterbrechungsschaltung kann eine Hilfslast 36 in Reihe mit dem Druckknopfschalter 38 zwischen die Leitern 3, 4 eingeschaltet werden, um den spulenartigen Teil eines Leiters 3 zu überbrücken. Nach dem Drücken des Knopfes zum Schließen des Schalters 38 entstehen verschiedene Strompegel in den Spulenabschnitten der Leitern 3, 4, so daß bei ordnungsgemäßer Funktion der Unterbrechungsschaltung das Solenoid 11 erregt wird, um die Kontakte RC 1, RC 2 zu schließen. Nach dem Loslassen des Knopfes zum erneuten Schließen des Schalters 38 kann der doppelte Polschalter von Hand betätigt werden, um die Kontakte RC 1, RC 2 zu schließen und um damit das Testverfahren zu vervollständigen.

Claims (8)

1. Reststromunterbrechungsschaltung mit folgenden Merkmalen: Einem Leiterpaar zum Anschließen einer Last an eine elektrische Leistungsversorgung; einer Einrichtung zum Erfassen, ob der Stromfluß in den Leitern sich um einen vorbestimmten Betrag unterscheidet, einem mechanischen Schaltgerät mit Kontakten, die gegeneinander geöffnet werden können, um den Stromfluß zur Last zu unterbrechen, und einer Einrichtung, die an die Fühlereinrichtung angeschlossen ist, um ein Solenoid zum Öffnen der Schaltkontakte zu erregen, wenn die vorbestimmte Differenz der Ströme erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Festkörperschaltgerät (54) einen an die Fühlereinrichtung (1, 2, 16) angeschlossenen Steuereingang aufweist und daß es dazu geeignet ist, den elektrischen Stromfluß zur Last (10) schneller zu unterbrechen als diejenige Zeit, die das Solenoid (11) zum Öffnen der Schaltkontakte (RC 1, RC 2) benötigt, wenn die vorbestimmte Differenz der Ströme erfaßt wird.

2. Reststromunterbrechungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörperschaltgerät ein Triac (54) aufweist.

3. Reststromunterbrechungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Einrichtung zum Erregen des Solenoides ein Festkörpergerät (54), das vorzugsweise als Triac ausgeführt ist, aufweist, welches in Reihe zu der Erregerspule des Solenoides zwischen den beiden Leitern geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlereinrichtung (1, 2, 16) zwei Ausgänge (34, 35) aufweist, die jeweils mit Steuereingängen des Festkörpergerätes (51, 54) verbunden sind.

4. Reststromunterbrechungsschaltung nach Anspruch 3, bei dem die Fühlereinrichtung eine Signalerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignales aufweist, wenn die vorbestimmte Differenz der Ströme ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Diskriminator (33) vorgesehen ist, dessen Eingang mit der Signalerzeugungseinrichtung (29) verbunden ist und der die Ausgänge (34, 35) festlegt, wobei die an den beiden Ausgängen erzeugten Signale gegeneinander um 180° phasenversetzt sind und wobei der Diskriminator die Signale in Reaktion auf ein von der Signalerzeugungseinrichtung ausgangsseitig erzeugtes Signal umkehrt.

5. Reststromunterbrechungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fühlereinrichtung ein Sensorgerät oder Fühlergerät zum Erzeugen eines Signales beinhaltet, das von der Differenz der Ströme, die in den Leitern fließen, abhängt, gekennzeichnet durch eine Signalprozessoreinrichtung (16) mit einer Einrichtung (26, 28) zum Erzeugen eines Spannungssignales, das proportional zu dem Signal von dem Sensorgerät ist, und eine Einrichtung (29) zum Vergleichen des Spannungssignales mit einem konstanten Bezugssignal und zum Erzeugen eines Ausgangssignales, wenn das Spannungssignal das konstante Signal übersteigt.

6. Reststromunterbrechungsschaltung nach Anspruch 5, bei der die Einrichtung (17, 18) zwischen den Leitern (3, 4) angeschlossen ist, um eine stabilisierte Gleichstromleistungsversorgung für das Sensorgerät und die Signalprozessoreinrichtung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung von einem Spannungsteiler (31) abgeleitet wird, der quer über die Gleichstromversorgung (21, 22) geschaltet ist.

7. Reststromunterbrechungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung ein Sensorgerät mit einem Kernteil (1) aufweist, das einen im wesentlichen geschlossenen magnetischen Kreis mit einem Luftspalt festlegt, und ein Hall-Effekt-Element (2) aufweist, das in dem Luftspalt liegt, wobei die beiden Leitern (3, 4) spulenförmige Abschnitte aufweisen, die um das Kernteil gewickelt sind.

8. Reststromunterbrechungsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wechselstromkopplung (25) vorgesehen ist, um Gleichstromkomponenten im Ausgangssignal des Hall-Effekt-Elementes (2) zu entfernen.