DE69730904T2

DE69730904T2 - Gegen unbeabsichtigtes Auslösen immunisiertes Differentialschutz

Info

Publication number: DE69730904T2
Application number: DE69730904T
Authority: DE
Inventors: Marc Paupert
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2017-06-14
Also published as: EP0813283B1; FR2749987A1; FR2749987B1; ES2229325T3; EP0813283A1; DE69730904D1

Description

Die Erfindung betrifft den Schutz von über ein Wechselspannungsnetz gespeisten elektrischen Installationen, insbesondere bei Auftreten von Erdschlußströmen.
Bekannte Einrichtungen zum Schutz gegen Erdschlußströme umfassen hauptsächlich einen Differenzstromwandler mit einem Ringkern, durch die aktiven Leiter der Installation gebildeten Primärwicklungen sowie einer Sekundärwicklung, die die Detektion dieser Fehlerströme gewährleistet. Diese Sekundärwicklung ist mit einem Relais hoher Ansprechempfindlichkeit verbunden, das die Auslösung des Schaltschlosses eines den Stromkreis schützenden Schaltgeräts gewährleistet, wenn das Sekundärsignal einen bestimmten Schwellwert überschreitet.
Gemäß den geltenden Normen müssen solche Differenzstromschutzeinrichtungen eine Auslösung bei Differenzfehlerströmen mit sogenannter Netzfrequenz und einer Amplitude zwischen I_DN (I_DN min = 10 mA) und 500 A RMS bewirken. Sie dürfen hingegen keine Auslösung bei im allgemeinen impulsartigen und eine hohe (größer als einige kHz) Ersatzfrequenz aufweisenden Fehlerströmen bewirken, die durch Störeinstrahlungen verursacht werden.
Eine Möglichkeit, Differenzstromschutzeinrichtungen besser gegen Fehlauslösungen zu schützen, ist beispielsweise aus der Patentschrift FR 2442525 bekannt und besteht darin, ein polarisiertes Relais sowie eine an die Klemmen dieses Relais angeschlossene Diode zu verwenden, deren Stromdurchlaßrichtung der Richtung des Auslösestroms des Relais entspricht. Dabei ist die Durchschaltschwelle der Diode so eingestellt, daß sie weit über dem Ansprechwert des Relais, jedoch unterhalb der Sekundärspannung liegt, die durch die zu unterdrückenden Störströme geliefert wird.
Aufgrund der Durchschaltschwelle erlaubt die Diode eine Begrenzung des Sekundärsignals und damit eine Absorption eines Teils der Störenergie (Impulswellen). Bei netzfrequenten Differenzfehlerströmen hoher Amplitude wird der Ringkern stark gesättigt. Das Signal an den Klemmen der Sekundärwicklung besteht dann aus einer Impulsfolge mit hoher Amplitude, jedoch kurzer Impulsdauer. In diesem Fall darf die Begrenzung durch die Diode nicht zu stark sein, damit noch eine ausreichende Energie zur Auslösung des Relais zur Verfügung steht.
Durch Verwendung dieser Diode, deren Kenndaten so gewählt werden, daß die erzielte Begrenzung nicht zu stark ist und so eine Auslösung bei 500 A ermöglicht, erlauben derzeitige Anordnungen eine sichere Auslösung zwischen I_DN und 500 A sowie eine sichere Nichtauslösung bei Impulswellen hoher Frequenz und verhältnismäßig niedriger Amplitude. Es kann daher bei einer solchen Begrenzung immer noch zu Fehlauslösungen der Differenzstromschutzeinrichtung kommen.
Die Erfindung löst das beschriebene Problem und schlägt eine Differenzstromschutzeinrichtung, insbesondere zum Erdschlußschutz vor, die Fehlauslösungen durch Störströme ausschließt und einen größeren Detektionsbereich bietet.
Zu diesem Zweck liegt der Erfindung eine Differenzstromschutzeinrichtung für eine elektrische Installation zugrunde, die gattungsgemäß einen Differenzstromwandler mit einem Ringkern, Primärwicklungen und einer Sekundärwicklung, an deren Klemmen bei Auftreten eines Fehlers in den Primärwicklungen ein Differenzfehlersignal anliegt, ein Auslösemittel zur Ansteuerung eines den Strom abschaltenden Schaltgeräts, wie z. B. ein Relais, und eine Sekundärkreisschaltung zur Verbindung des genannten Relais' mit den Klemmen der genannten Sekundärwicklung umfaßt, wobei die genannte Schaltung so ausgelegt ist, daß sie eine Auslösung bewirkt, wenn das genannte Signal einen bestimmten Schwellwert überschreitet, sowie ein Mittel zur Begrenzung des genannten Signals umfaßt, das dazu dient, Fehlauslösungen durch Störspannungsspitzen zu verhindern, jedoch gleichzeitig eine Auslösung bei Auftreten eines Fehlerstroms gewährleistet, welche Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Ringkern des genannten Stromwandlers mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften umfaßt, und zwar einen ersten Abschnitt mit hoher Permeabilität, der eine ausreichend hohe Energie an das Relais liefert, um eine Auslösung bei kleinen Sekundärströmen zu bewirken, die stark begrenzt werden können, sowie einen zweiten Abschnitt mit niedriger Permeabilität, der eine ausreichende Energie an das Relais liefert, um eine Auslösung bei hohen Strömen zu bewirken.
Nach einem besonderen kennzeichnenden Merkmal besteht der genannte zweite Abschnitt aus einem Material mit hohen Eisenverlusten.
Nach einem anderen kennzeichnenden Merkmal besteht der genannte zweite Abschnitt aus einem Material mit hoher Sättigungsinduktivität.
Nach einem anderen kennzeichnenden Merkmal liegt die dem Material des ersten Abschnitts zugeordnete Permeabilität zwischen 10.000 und 1 Million, während die dem Material des zweiten Abschnitts zugeordnete Permeabilität zwischen 10 und 5.000 beträgt.
Die dem Material des ersten Abschnitts zugeordnete Permeabilität beträgt vorteilhaft etwa 350.000.
Die dem Material des zweiten Abschnitts zugeordnete Permeabilität beträgt vorteilhaft etwa 500.
Nach einem anderen kennzeichnenden Merkmal umfassen die beiden genannten Abschnitte zwei axial übereinander angeordnete Ringsegmente.
Nach einem anderen kennzeichnenden Merkmal umfassen die beiden Ringsegmente einen Wickelring aus geblechtem FeNi bzw. eine Fe-Scheibe.
Nach einer anderen Ausgestaltung umfassen die beiden genannten Abschnitte einen Wickelring aus geblechtem FeNi bzw. ein Schutzgehäuse aus Metall für diesen Ring.
Nach einer besonderen Ausgestaltung umfaßt das Auslösemittel ein polarisiertes Relais, und das Begrenzungsmittel umfaßt eine an die Klemmen des Relais angeschlossene Diode, deren Durchlaßrichtung der Richtung des Auslösestroms des Relais' entspricht, wobei die Durchschaltschwelle der Diode so gewählt ist, daß sie über dem Auslöseschwellwert des Relais' jedoch unter der durch die Störströme erzeugten Sekundärspannung liegt.
Nach einer Ausführungsvariante der Erfindung umfaßt das Auslösemittel ein unpolarisiertes Relais und das Begrenzungsmittel umfaßt zwei Dioden, die mit entgegengesetzter Polung an die Klemmen des genannten Relais' angeschlossen sind.
Zum besseren Verständnis ist die Erfindung in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen:
1 das Schaltbild einer Differenzstromschutzeinrichtung gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung;
2 eine radiale Schnittansicht mit Darstellung eines Ringkerns aus zwei Materialien zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Differenzstromschutzeinrichtung;
3 zwei Kurvenverläufe mit Darstellung der magnetischen Induktion auf der Y-Achse und der magnetischen Feldstärke auf der X-Achse, jeweils für die beiden Materialien des erfindungsgemäßen Ringkerns;
4 zwei Kurvenverläufe mit Darstellung der vom Ringkern gelieferten Leistung auf der Y-Achse sowie der Stromstärke des Sekundärsignals auf der X-Achse, jeweils für die beiden Ringsegmente mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften;
5 das Schaltbild einer Differenzstromschutzeinrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
Die 1 und 5 zeigen jeweils eine erfindungsgemäße Differenzstromschutzeinrichtung, die einen Differenzstromwandler T mit einem Ringkern To umfaßt, um den vier als Teil der Phasenleiter 1, 2, 3 sowie des Neutralleiters ausgebildete Primärwicklungen E1, E2, E3 und E4 sowie eine Sekundärwicklung ES geführt sind, welche an die Spule eines, polarisiert oder unpolarisiert ausgeführten, eine hohe Ansprechempfindlichkeit aufweisenden Auslöserelais' R eines Leistungsschalters angeschlossen ist.
Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung entsprechend 1 ist eine Diode D parallel zur Sekundärwicklung ES des Ringkerns To zwischen die Eingangsklemmen 4, 5 des polarisierten Relais' R in Gegenrichtung zum Anzugsmagnetfeld des Relais' R geschaltet. Durch die Parallelschaltung der Diode D und des Relais' R wird dieses kurzgeschlossen, wenn die Sekundärspannung die Durchschaltschwelle der Diode übersteigt, so daß dann der Betrieb des Relais R nicht mehr gewährleistet ist. Es wird daher eine Diode verwendet, deren Durchschaltschwelle über der normalen Auslösespannung des Relais' R liegt. Das Relais R ist als polarisiertes Relais ausgebildet, dessen Betrieb nur jede zweite Halbwelle gewährleistet ist, und es ist nur eine Diode vorgesehen, um den Fehlauslösungsschutz zu gewährleisten. Die Durchlaßrichtung der Diode D entspricht der Flußrichtung des Auslösestroms des Relais', wobei die entgegengesetzte Halbwelle keinerlei Einfluß auf die Auslösung des Relais' R hat.
Aus 2 geht hervor, daß der Ringkern des Stromwandlers T aus zwei axial übereinander angeordneten Ringsegmenten A, B besteht. Unter Kostenaspekten ist es vorteilhaft, daß diese beiden Segmente A, B einen Wickelring 6 aus geblechtem FeNi- oder einem nanokristallin Material mit einer Dicke von 15 bis 300 μm bzw. eine massive Fe-Scheibe 7 mit einer Dicke von 1 bis 2 mm umfassen. Das aus FeNi bestehende erste Segment 6 weist eine hohe Permeabilität μ auf, die vorteilhaft 350.000 beträgt, während das aus Eisen bestehende zweite Segment eine niedrige Permeabilität aufweist, die vorteilhaft bei 500 (Bs ≅ 2 T) liegt. Es sei darauf hingewiesen, daß die genannten Werte für einen Strom I_DN von etwa 30 mA gelten;
Im Normalbetrieb ist die Summe der über den Differenzstromwandler T fließenden Ströme gleich null. Bei Vorliegen eines Erdschlußfehlers ist diese Summe nicht gleich null und induziert einen Strom in der Sekundärwicklung ES des Stromwandlers T, der über das Relais R mit hoher Ansprechempfindlichkeit die Abschaltung der Schaltanordnung 8 bewirkt.
Aus 3 geht hervor, daß im ersten Ringsegment A die magnetische Induktion B in Abhängigkeit von der Feldstärke H ihren höchsten Wert bei einem Strom I_DN (von einigen Hundertstel bis einigen Zehntel A) aufweist. Im Ringsegment B wird dieser Höchstwert von B bei einem Strom von 500 A erreicht.
Wie aus 4 hervorgeht, ist die vom ersten Ringsegment A gelieferte Leistung P bei kleinen Stromwerten größer als die Auslöseleistung p des Relais' R, und zwar annähernd ab dem Wert I_DN, während die vom zweiten Ringsegment B gelieferte Leistung P bei hohen Stromwerten von etwa 500 A, und insbesondere oberhalb dieses Wertes größer ist als die genannte Auslöseleistung p des Relais' R.
Außerdem zeigt die Figur die Kurve (C), welche die Gesamtleistung abbildet, die von dem durch die beiden Ringe A, B gebildeten Stromwandler geliefert wird.
So wird aufgrund der hohen Permeabilität des das erste Ringsegment A bildenden Materials bei kleinen Fehlerstromwerten (I_DN Bereich) eine ausreichende Energie geliefert, so daß eine sehr starke Begrenzung vorgenommen werden kann, um Fehlauslösungen durch Störimpulsströme zu verhindern. Diese starke Begrenzung gewährleistet jedoch keine Auslösung bei netzfrequenten Fehlerströmen großer Amplitude, die durch das zweite Ringsegment B mit niedriger Permeabilität sichergestellt wird.
Es sei darauf hingewiesen, daß für das Material des zweiten Ringsegments vorteilhaft ein Material mit hohen Eisenverlusten eingesetzt wird, so daß eine Auslösung bei hochfrequenten Störströmen verhindert wird und die Begrenzerschaltung aufgrund der an ihren Klemmen anliegenden niedrigen Spannung unwirksam bleibt. Das gleiche Material weist auch vorteilhaft eine hohe Sättigungsinduktivität auf, wodurch die Baugröße des Stromwandlers verringert werden kann.
5 zeigt eine andere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Schutzeinrichtung in Klasse A ausgeführt ist, d. h. auf Impulsströme anspricht. In diesem Fall ist das Auslöserelais als unpolarisiertes Relais R1 ausgeführt, und die Begrenzung erfolgt durch zwei Dioden D1 und D2, die mit entgegengesetzter Polung zwischen die Sekundärwicklung ES des Stromwandlers T und das Schutzrelais R geschaltet sind.
Es sei darauf hingewiesen, daß zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Ringkerns auch andere Werkstoffe wie z. B. FeSi oder nanokristallin oder sogar amorphe Materialien verwendet werden können.
Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß der Verbindungsstromkreis zwischen der Sekundärwicklung und dem Relais eine Speicherschaltung oder eine abgestimmte Gleichrichterschaltung umfassen kann.
Die Erfindung erlaubt so die Schaffung einer Differenzstromschutzeinrichtung mit deutlich verbessertem Fehlauslösungsschutz. Diese Verbesserung beruht hauptsächlich auf einer stärkeren Begrenzung des Sekundärsignals im Bereich niedriger Ströme, die durch Verwendung eines Ringkerns mit zwei unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften erreicht wird. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung einen größeren Auslösestrombereich.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beispielhaft beschriebenen und dargestellten Ausgestaltungen beschränkt.
So kann die Erfindung in jeder Differenzstromschutzeinrichtung (Fehlerstrom-Schutzschalter, Fehlerstrom-Leistungsschalter usw.) eingesetzt werden, die mit einem Meßwandler arbeitet.
Das Begrenzersystem kann beispielsweise eine oder zwei Zenerdioden oder ein anderes nichtlineares Schaltungselement umfassen.

Claims

Differenzstromschutzeinrichtung für eine elektrische Installation, die gattungsgemäß einen Differenzstromwandler mit einem Ringkern (T), Primärwicklungen (E1, E2, E3, E4) und einer Sekundärwicklung (ES), an deren Klemmen bei Auftreten eines Fehlers in den Primärwicklungen ein Differenzfehlersignal anliegt, ein Auslösemittel zur Ansteuerung eines den Strom abschaltenden Schaltgeräts (8), wie z. B. ein Relais, und eine Sekundärkreisschaltung zur Verbindung des genannten Relais' mit den genannten Klemmen der Sekundärwicklung umfaßt, wobei die genannte Schaltung so ausgelegt ist, daß sie die Auslösung bewirkt, wenn das genannte Signal einen bestimmten Schwellwert überschreitet, und ein Mittel (D, D1, D2) zur Begrenzung des genannten Signals umfaßt, das dazu dient, Fehlauslösungen durch Störspannungsspitzen zu verhindern, jedoch gleichzeitig eine Auslösung bei Auftreten eines Fehlerstroms gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern To des genannten Stromwandlers T mindestens zwei Abschnitte A, B mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften umfaßt, und zwar einen ersten Abschnitt A mit hoher Permeabilität, der eine ausreichend hohe Energie an das Relais R liefert, um eine Auslösung bei kleinen Sekundärströmen zu bewirken, die stark begrenzt werden können, sowie einen zweiten Abschnitt B mit niedriger Permeabilität, der eine ausreichende Energie an das Relais R liefert, um eine Auslösung bei hohen Strömen zu bewirken.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte zweite Abschnitt B aus einem Material mit hohen Eisenverlusten besteht.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte zweite Abschnitt B aus einem Material mit hoher Sättigungsinduktivität besteht.
Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Material des ersten Abschnitts A zugeordnete Permeabilität zwischen 10.000 und 1 Million liegt, während die dem Material des zweiten Abschnitts B zugeordnete Permeabilität zwischen 10 und 5.000 beträgt.
Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Material des ersten Abschnitts A zugeordnete Permeabilität etwa 350.000 beträgt.
Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Material des zweiten Abschnitts B zugeordnete Permeabilität etwa 500 beträgt.
Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden genannten Abschnitte A, B jeweils zwei axial übereinander angeordnete Ringsegmente (6, 7) umfassen.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ringsegmente (6, 7) einen Wickelring (6) aus geblechtem FeNi bzw. eine Scheibe aus Fe (7) umfassen.
Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden genannten Abschnitte A, B einen Wickelring (6) aus geblechtem FeNi bzw. ein Schutzgehäuse aus Metall für diesen Ring (6) umfassen.
Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslösemittel ein polarisiertes Relais R umfaßt und das Begrenzungsmittel eine an die Klemmen (4, 5) des Relais' R angeschlossene Diode D umfaßt, deren Durchlaßrichtung der Richtung des Auslösestroms des Relais' R entspricht, wobei die Durchschaltschwelle der Diode D so gewählt ist, daß sie über dem Auslöseschwellwert des Relais' R jedoch unter der durch die Störströme erzeugten Sekundärspannung liegt.
Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslösemittel ein unpolarisiertes Relais R1 umfaßt und das Begrenzungsmittel zwei Dioden (D1, D2) umfaßt, die mit entgegengesetzter Polung an die Klemmen des genannten Relais' R1 angeschlossen sind.