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Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter (in der Folge kurz FI-Schalter genannt), bestehend aus einem Gehäuse mit Anschlussklemmen für Netzleitungen, in dem ein Kontaktapparat mit zugehörigem Schaltschloss, eine Prüfeinrichtung, ein Betätigungsorgan, ein elektromagnetischer Arbeitsstromauslöser mit hoher Auslösekraft für das Schaltschloss (Schlossauslöser), ein Summenstromwandler, eine elektronsche Energiespeicherschaltung und ein elektronisches oder elektromechanisches Relais mit dazugehörigem Schliesskontakt (Wandler-Relais) untergebracht sind,
wobei die Sekundärwicklung des Summenstromwand- lers ohne galvanische Verbindung mit den Netzleitungen die netzspannungsunabhängige elektronische Energiespeicherschaltung anspeist und beim Überschreiten eines bestimmten Grenzwertes des Auslösefehlerstromes die Energiespeicherschaltung das Wandler-Relais betätigt.
Den Anstoss zur Erfindung gibt die Notwendigkeit, die Zuverlässigkeit der heute auf dem Markt befindlichen FI-Schalter um Zehnerpotenzen zu erhöhen, um ihre Auslösung ebenso zuverlässig zu machen, wie die von Leitungsschutzschaltern (LS-Schaltern).
In den letzten Jahren haben eine Reihe von Anlagenüberprüfungen gezeigt, dass die FI-Schalter derzeit bei weitem nicht den Anforderungen genügen, die an die Zuverlässigkeit der Ausschaltung im Fehlerfall bei einem Schutzapparat gestellt werden müssen (1).
Man muss heute bei der Überprüfung der Funktionsfähigkeit von FI-Schaltern bei einer Einbaudauer bis zu 10 Jahren mit einem mittleren Ausfallprozentsatz von einigen Prozent rechnen, wobei eine nähere Aufgliederung zeigt, dass bei einer Einbaudauer von 10 Jahren oder länger sogar 10 % der Schalter nicht funktionieren. Da FI-Schalter mit steigender Tendenz in Millionenstückzahlen pro Jahr installiert werden, handelt es sich um ein brennendes Sicherheitsproblem, das so schnell als möglich gelöst werden muss.
Die Ursachen der Ausfälle liegen im Konstruktionsprinzip der heute auf dem Markt befindlichen FlSchalter. Sie verwenden einerseits immer hochempfindlichere Permanentmagnetauslöser, um beim Material für die Summenstromwandler zu sparen (z. B. EP-OS 228 345,351 674,293 702), andererseits elektronische Schaltungen mit zahlreichen Bauelementen, die ständig an Netzspannung liegen und damit nur eine begrenzte Lebensdauer haben (z. B. EP-OS 252 693,152 043). Sie sind nicht nur Überspannungen ausgesetzt, sondern verbrauchen auch elektrische Energie (die Leistung derartiger FI-Baugruppen liegt etwa bei einem Watt) (2).
Die dritte Möglichkeit besteht in der Verwendung von netzspannungsunabhängigen Energiespeicherschaltungen, die zwar unempfindlichere Permanentmagnetauslöser betätigen können, aber trotzdem hochgezüchtete und störanfällige Schaltschlösser erfordern. Diese Lösung Ist seit langem bekannt und führte zu dem Basispatent AT-PS 197 468. Etwas abgeändert wird sie in den Patenten DE-AS 25 40 815 und CH-PS 656 262 angewendet.
Das Konstruktionsprinzip, bei dem für die Auslösung der FI-Schalter Permanentmagnetauslöser verwendet werden, führt mit der heutigen Tendenz immer hochempfindlichere Auslöser zu entwickeln, in eine Sackgasse. Die Schliffflächen zwischen Auslöseanker und Joch müssen immer diffiziler bearbeitet werden und neigen dann zu Hafterscheinungen, deren Ursachen noch nicht geklärt sind und in mikrokristallinen Brückenbildungen liegen dürften. Hochentwickelte Reinigungsverfahren in Reinsträumen verbessern zwar die Zuverlässigkeit, bringen aber keine wirkliche Abhilfe.
Die zweite Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Arbeitsstromauslösers anstelle eines Permanentmagnetauslösers.
Derartige Auslöser werden ja für die elektromagnetische Schnellauslösung von LS-Schaltern seit langem mit Erfolg eingesetzt. Allerdings reicht die Leistung des Summenstromwandlers auch beim Einsatz von Speicherschaltungen nicht aus, um einen Arbeitsstromauslöser zu betätigen. Deshalb wurden bisher netzspannungsabhängige elektronische Verstärkerschaltungen angewendet, deren Eingang mit der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers verbunden wird und die beim Fliessen von Fehlerströmen entsprechender Stärke meist über Thyristorschaltungen mit Hilfe der Netzspannung den Arbeitsstromauslöser betätigen (siehe z. B. AT-PS 378 444). Diese Lösung hat aber infolge der dauernd an Netzspannung liegenden elektronischen Bauelemente die früher genannten Nachteile in bezug auf die Zuverlässigkeit der Auslösung nach längerer Einbaudauer.
Erfindungsgemäss wird nun eine Lösung dadurch geboten, dass-wie an sich begannt-das WandlerRelais nicht nach dem Halte- oder Sperrmagnetprinzip arbeitet und durch das Schliessen des dazugehörigen (1) (Biegelmeier, G. und Kieback, Dr. : Das Problem der Zuverlässigkeit bel der Fehlerstromschutzschaltung.
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die Elektrizität, Heft 11, 1990).
(2) Solleder, R. : Warum Fehlerstromschutzschalter mit netzspannungsunabhängiger Auslösung ? etz Bd. 107 (1986), H. 20, S. 938-945
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Relaiskontaktes der Schlossauslöser netzspannungsabhängig das Schaltschloss betätigt, wodurch der Fehlerstromschutzschalter ausschaltet und danach das Wandler-Relais in seine Ausgangsstellung zurückkehrt, und dass das Wandler-Relais mit einer Spule als bistabiles Relais ausgeführt ist, das durch den Impuls der Energiespeicherschaltung einen Arbeitskontakt schliesst und damit den Schlossauslöser des Schaltschlosses betätigt und durch den Ausschaltvorgang die Rückstellung des Wandler-Relais in seine Ausgangsstellung mittels einer mechanischen Kupplung mit dem Schaltschloss erfolgt (Figur 2).
Anstelle der unzuverlässigen netzspannungsabhängigen Elektronik ist die Sekundärwicklung des Summenstromwandlers mit einer netzspannungsunabhängigen Energiespeicherschaltung verbunden, sodass bei entsprechender Höhe des Fehlerstromes die Energiespeicherschaltung zeitabhängig aufgeladen wird. Nach Erreichen der Schwellenspannung eines spannungsabhängigen Schaltbausteins wird ein Impuls auf das Wandler-Relais abgegeben, dessen Arbeitskontakt geschlossen, wodurch ein elektromagnetischer Arbeitsstromauslöser mit hoher Auslösekraft für die Auslösung des Schaltschlosses (in der Folge kurz Schlossauslöser genannt) vom Netz den notwendigen Erregerstrom erhält und den FI-Schalter ausschaltet.
Durch die Verwendung eines bistabilen Wandler-Relais muss dasselbe nach dem Impuls und den dadurch eingeleiteten Schaltvorgang in seine Ausgangslage rückgestellt werden. Dies erfolgt gemäss einer ersten Ausführungsform durch eine geeignet mechanische Kopplung.
Eine andere Variante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass-wie an sich bekannt-das Wandler-Relais nicht nach dem Halte- oder Sperrmagnetprinzip arbeitet und durch das Schliessen des dazugehörigen Relaiskontaktes der Schlossauslöser netzspannungsabhängig das Schaltschloss betätigt, wodurch der Fehlerstromschutzschalter ausschaltet und danach das Wandler-Relais in seine Ausgangsstellung zurückkehrt, und dass das Wandler-Relais mit einer Spule als bistabiles Relais ausgeführt ist, das durch den Impuls der Energiespeicherschaltung einen Arbeitskontakt schliesst und damit den Schlossauslöser des Schaltschlosses betätigt und die Rückstellung des Wandler-Relais elektrisch durch eine zusätzliche Rückstellspule des Wandler-Relais erfolgt,
die über eine elektronische Zeitverzögerungsschaltung mit den Netzleitungen verbunden ist (Figur 3).
Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Rückstellung des bistabilen Wandler-Relais elektrisch durch eine zusätzliche Betätigungsspule, die durch Schliessen des Relaiskontaktes den Erregerstrom vom Netz erhält.
Diese Betätigungsspule ist dabei erfindungsgemäss über eine geeignete Zeitverzögerungsschaltung mit den Netzleitungen netzseitig verbunden. Dies bedingt, dass beim Anschluss des FI-Schalters Netz- und Verbraucherseite beachtet werden müssen.
Eine weitere Variante der Erfindung Ist dadurch gekennzeichnet, dass-wie an sich bekannt - das Wandler-Relais nicht nach dem Halte- oder Sperrmagnetprinap arbeitet und durch das Schliessen des dazugehörigen Relaiskontaktes der Schlossauslöser netzspannungsabhängig das Schaltschloss betätigt, wodurch der Fehlerstromschutzschalter ausschaltet und danach das Wandler-Relais in seine Ausgangsstellung zurückkehrt, und dass das Wandler-Relais mit einer Spule als bistabiles Relais ausgeführt ist, das durch den Impuls der Energiespeicherschaltung einen Arbeitskontakt schliesst und damit den Schlossauslöser des Schaltschlosses betätigt und die Rückstellung des Wandler-Relais durch die gleiche Spule erfolgt, die nicht nur mit der Energiespeicherschaltung,
sondern auch über eine elektronische Zeitverzögerungsschaltung mit den Netzleitungen verbunden ist (Figur 4).
Hierbei erfolgt die elektrische Rückstellung erfindungsgemäss durch die Betätigungsspule des WandlerRelais. Da der Auslösekreis ja von den Netzleitungen galvanisch getrennt ist, kann die Spule an einen zweiten Stromkreis angeschlossen werden, der mit den Netzleitungen verbunden ist. Dieser Stromkreis enthält eine geeignete Zeitverzögerungsschaltung und den Kontakt des Wandler-Relais.
Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Zeitverzögerungsschaltung aus einer Gleichrichterschaltung, einem Speicherkondensator und einem spannungsabhängigen, elektronischen Schaltbaustein und wird über einen Ladewiderstand netzspannungsabhängig mit Energie versorgt (Figur 6).
Dass die erfindungsgemässen Ausführungen dieser FI-Schalter eine Auslösezuverlässigkeit haben, die um Grössenordnungen höher ist als die derzeit auf dem Markt befindlichen Konstruktionen, ist leicht zu verstehen. Sowohl der Schlossauslöser als auch das Wandler-Relais haben bei den geringen Schalthäufigkeiten eines FI-Schalters eine sehr hohe Lebensdauer. Der Schlossauslöser kann ja so robust wie die üblichen Auslöser von Leitungsschutzschaltern gebaut werden und auch das Schaltschloss der neuen Fl- Schalter kann dem eines Leitungsschutzschalters prinzipiell entsprechen. Das Wandler-Relais kann bei elektrischer Rückstellung vollkommen hermetisch geschlossen sein, aber auch bei mechanischer Rückstellung entfallen die Klebeerscheinungen der bisher üblichen Permanentmagnetauslöser.
Auch die elektronischen Bauelemente der netzspannungsunabhängigen Energiespeicherschaltung haben sehr hohe Lebensdauern. Diese Bauelemente befinden sich ja, wenn kein Fehlerstrom fliesst, die meiste Zeit in einem spannungslosen Betriebszustand. Dementsprechend hoch sind ihre Zuverlässigkeitskennzah-
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Damit ist mit den erfindungsgemässen FI-Schaltern das Ziel erreicht, eine Zuverlässigkeit der Auslösung in der gleichen Grössenordnung zu erreichen, wie sie bei den Leitungsschutzschaltern üblich ist. Der alte Einwand, dass die Auslösung von der Netzspannung abhängt, ist ebensowenig stichhaltig wie die alten Vorhalt, daS die Nullung wegen der Nulleiterunterbrechungen nicht zuverlässig ist.
Letzten Endes sind netzspannungsabhängige FI-Schalter schon heute in den meisten Ländern, zumindest für den Zusatzschutz, zugelassen, obwohl sie mit einer Elektronik arbeiten, die dauernd an der vollen Netzspannung liegt und dadurch nur eine begrenzte Lebensdauer hat.
Selbstverständlich können bei allen erfindungsgemässen Lösungen im Wandler-Stromkreis und Im Stromkreis des Schlossauslösers in bekannter Weise Überspannungsschutzelemente, wie Dioden oder Varistoren an den geeigneten Stellen eingebaut werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 6 beispielhaft beschrieben.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemässen FI-Schalter, der mit einem monostabilen Wandler-Relais mit Spule --4-- arbeitet. Die Sekundärwicklung des Summenstromwandlers --2-- ist über eine netzspannungsunabhängige Energiespeicherschaltung --3--mit der Spule des monostabilen Wandler-Relais --4-- verbunden.
Überschreitet der Fehlerstrom in der Primärwicklung des Summenstromwandlers --2-- einen vorbestimmten Wert. dann gibt die Energiespeicherschaltung einen ausreichend langen Betätigungsimpuls auf das Wand- ler-Relais --4--, wodurch der Relaiskontakt --5-- so lange geschlossen wird. dass bei eingeschaltetem Schalter der Schfossaustöser-1--das Schaftschtoss--6--sicher betätigt. Dadurch werden die Schalterkontakte --8-- und der Unterbrecherkontakt --20-- geöffnet. Danach kehrt das monostabile Wandler-Relais wieder in seine Ausgangslage zurück, wodurch der Relaiskontakt --5--geöffnet wird und der FI-Schalter bereit ist zur händischen Wiedereinschaltung.
Der Anschluss der Netzleitungen erfolgt unabhängig von der Netz- und Verbraucherseite, wie auch bei den Lösungen, die in den Figuren 2 und 5 dargestellt sind.
Die erfindungsgemässen FI-Schalter können auch mit den üblichen Prüfeinrichtungen --7-- ausgestattet sein.
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemässen FI-Schalter, der mit einem bistabilen Wandler-Relais mit Spule --4-- arbeitet. Die Sekundärwicklung des Summenstromwandlers --2-- ist wieder über eine netzspannungsunabhängige Energiespeicherschaltung --3--mit der Spule des bistabilen Wandler-Relais --4-- verbunden.
Überschreitet der Fehlerstrom in der Primärwicklung des Summenstromwandlers --2-- einen vorbestimmten Wert, dann gibt die Energiespeicherschaltung einen Betätigungsimpuls auf das Wandler-Relais --4--, wodurch der Relaiskontakt --5-- geschlossen wird und zunächst in dieser Lage bleibt. Damit wird bei eingeschaltetem Schalter der Schlossauslöser --1-- durch den vom Netz kommenden Erregerstrom betätigt und löst das Schaltschloss --6-- aus. Dadurch werden die Schalterkontakte --8-- und der Unterbrecherkontakt --20-- geöffnet.
Während des Ausschaltvorganges wird durch eine geeignete mechanische Kopplung --14-das bistabile Wandler-Relais--4--vom Schaltschloss--1--wieder in seine Ausgangslage gebracht und der FI-Schalter ist bereit zur händischen Wiedereinschaltung.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemässen FI-Schatter, der ebenfalls mit einem bistabilen Wandler- Relaismit Spule --4--arbeitet. Die Sekundärwicklung des Summenstromwandlers --2--ist wieder über eine netzspannungsunabhängige Energiespeicherschaltung --3-- mit der Spule des bistabilen Wandler-Relais --4-- verbunden und die Funktion bei der Auslösung ist die gleiche wie bei Figur 2 beschrieben. Die Rückstellung des bistabilen Wandler-Relais --4-- erfolgt aber elektrisch durch eine geeignete Zeitverzöge- rungsschaltung --15--, die netzspannungsabhängig arbeitet und durch die über die Rückstellspule --10-- der Relaiskontakt --5-- in seine Ausgangslage gebracht wird.
Figur 4 zeigt einen erfindungsgemässen FI-Schalter, der ebenfalls mit einem bistabilen Wandler-Relais mit Spule --4--arbeitet. Die Funktion ist die gleiche wie bei Figur 2 und 3 beschrieben. Der Unterschied besteht nur darin, dass das bistabile Wandler-Relais --4-- nur eine Relaisspule besitzt, die sowohl für die Auslösung des FI-Schalters durch den Schaltschlossauslöser --1-- benutzt wird, als auch zur Rückstellung des Relaiskontaktes --5-- dient. Die Rückstellung erfolgt wieder durch eine geeignete Zeitverzögerungsschaltung --15--, die netzspannungsabhängig arbeitet und netzseitig mit Netzleitungen verbunden ist.
Bei den Schaltungen nach Figur 3 und 4 muss beim Anschluss des FI-Schalters Netz- und Verbraucherseite beachtet werden.
Figur 5 zeigt beispielhaft eine Schaltung für die netzspannungsunabhängige Energiespeicherschaltung --3--, die aus einer Gleichrichterschaltung --11-- besteht, die beim Fliessen des Fehlerstromes im Summen- stromwandler --2-- einen Speicherkondensator --12-- auflädt. Nach Erreichen einer bestimmten Ladespannung und damit auch der für die Betätigung des Wandler-Relais --4-- notwendigen Ladeenergie. wird ein Halbleiterbaustein --13-- leitend und die Ladeenergie entlädt sich impulsartig über die Spule des Wandler- Relais --4--. wodurch der Relaiskontakt --5-- geschlossen wird und damit der Schlossauslöser vom Netz seinen Erregerstrom erhält.
Durch die Ausschaltbewegung des Schaltschlosses --6-- wird das Wandler-
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Relais mechanisch rückgestellt, wodurch der Relaiskontakt --5-- öffnet und ausserdem durch den Unterbre- cherkontakt --20--der Stromkreis für den Schtossaustöser und der Prüfstromkreis unterbrochen wird. Der Anschluss des FI-Schalters ist also unabhängig von Netz- und Verbraucherseite.
Figur 6 zeigt beispielhaft eine Zeitverzögerungsschaltung für die elektrische Rückstellung des bistabilen Wandler-Relais. Nach der Auslösung des Fi-Schatters, wie bei Figur 2 und 3 beschrieben, beginnt über einen besonderen Stromkreis, der vor den Unterbrecherkontakten--8--netzseitig mit den Netzleitungen verbunden ist und durch den Relaiskontakt --5-- geschlossen wird, gleichzeitig mit der Auslösung des Fl- Schalters durch den Schlossauslöser --1-- die Aufladung einer netzspannungsabhängigen Energiespeicherschaltung (nicht zu verwechseln mit der netzspannungsunabhängigen Energiespeicherschaltung, die mit dem Wandler-Relais verbunden ist). Die Aufladung des Ladekondensators --17-- erfolgt über den Ladewi- derstand--19--und eine Gleichrichterschaltung --16--.
Nach Erreichen der notwendigen Ladeenergie für die Betätigung der Rückstellspule --10-- des Wandler-Relais --4-- wird der Halbleiterbaustein --18-- leitend und die Rückstellung erfolgt impulsartig durch die Rückstellspule --10--. Beim Anschluss eines FI-Schalters dieser Konstruktion muss Netz- und Verbraucherseite beachtet werden, obwohl der Unterbrecherkontakt --20-- den Stromkreis für den Schlossauslöser und den Prüfstromkreis unterbricht.
Patentansprüche 1. Fehlerstromschutzschalter, bestehend aus einem Gehäuse mit Anschlussklemmen für Netzleitungen, in dem ein Kontaktapparat mit zugehörigem Schaltschloss, eine Prüfeinrichtung, ein Betätigungsorgan, ein elektromagnetischer Arbeitsstromauslöser mit hoher Auslösekraft für das Schaltschloss (Schlossauslö- ser), ein Summenstromwandler, eine elektronische Energiespeicherschaltung und ein Relais mit dazu- gehörigem Schliesskontakt (Wandler-Relais) untergebracht sind.
wobei die Sekundärwicklung des Sum- menstromwandters ohne galvanische Verbindung mit den Netzleitungen die netzspannungsunabhängi- ge elektronische Energiespeicherschaltung anspeist und beim Überschreiten eines bestimmten Grenz- wertes des Auslösefehlerstromes die Energiespeicherschaltung das Wandler-Relais betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass-wie an sich bekannt - das Wandler-Relais (4) nicht nach dem Halte- oder
Sperrmagnetprinzip arbeitet und durch das Schliessen des dazugehörigen Relaiskontaktes (5) der
Schlossauslöser (1) netzspannungsabhängig das Schaltschloss (6) betätigt, wodurch der Fehlerstrom- schutzschalter ausschaltet und danach das Wandler-Relais (4) in seine Ausgangsstellung zurückkehrt, und dass das Wandler-Relais (4) mit einer Spule als bistabiles Relais ausgeführt ist, das durch den
Impuls der Energiespeicherschaltung (3)
einen Arbeitskontakt (5) schliesst und damit den Schlossauslö- ser (1) des Schaltschlosses (6) betätigt und durch den Ausschaltvorgang die Rückstellung des
Wandler-Relais (4) in seine Ausgangsstellung mittels einer mechanischen Kupplung (14) mit dem
Schaltschloss (6) erfolgt (Figur 2).
2. Fehlerstromschutzschalter, bestehend aus einem Gehäuse mit Anschlussklemmen für Netzleitungen, in dem ein Kontaktapparat mit zugehörigem Schaltschloss, eine Prüfeinrichtung, ein Betätigungsorgan, ein elektromagnetischer Arbeitsstromauslöser mit hoher Auslösekraft für das Schaltschloss (Schlossauslö- ser), ein Summenstromwandier, eine elektronische Energiespeicherschaltung und ein Relais mit dazu- gehörigem Schliesskontakt (Wandler-Relais) untergebracht sind, wobei die Sekundärwicklung des Sum- menstromwandlers ohne galvanische Verbindung mit den Netzleitungen die netzspannungsunabhängi- ge elektronische Energiespeicherschaltung anspeist und beim Überschreiten eines bestimmten Grenz- wertes des Auslösefehlerstromes die Energiespeicherschaltung das Wandler-Relais bestätigt dadurch gekennzeichnet,
dass-wie an sich bekannt - das Wandler-Relais (4) nicht nach dem Halte- oder
Sperrmagnetprinzip arbeitet und durch das Schliessen des dazugehörigen Relaiskontaktes (5) der
Schlossauslöser (1) netzspannungsabhängig das Schaltschloss (6) betätigt, wodurch der Fehlerstrom- schutzschalter ausschaltet und danach das Wandler-Relais (4) in seine Ausgangsstellung zurückkehrt, und dass das Wandler-Relais (4) mit einer Spule als bistabiles Relais ausgeführt ist, das durch den
Impuls der Energiespeicherschaltung (3) einen Arbeitskontakt (5) schliesst und damit den Schlossauslö- ser (1) des Schaltschlosses (6) betätigt und die Rückstellung des Wandler-Relais (4) elektrisch durch eine zusätzliche Rückstellspule (10) des Wandler-Relais (4) erfolgt, die über eine elektronische
Zeitverzögerungsschaltung (15) mit den Netzleitungen verbunden ist (Figur 3).
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The invention relates to a residual current circuit breaker (hereinafter referred to as FI switch), consisting of a housing with terminals for power lines, in which a contact apparatus with associated switch lock, a test device, an actuator, an electromagnetic shunt release with high release force for the switch lock (lock release ), a summation current transformer, an electronic energy storage circuit and an electronic or electromechanical relay with associated closing contact (transformer relay) are accommodated,
the secondary winding of the summation current transformer feeds the mains voltage-independent electronic energy storage circuit without a galvanic connection to the mains lines and the energy storage circuit actuates the transformer relay when a certain limit value of the tripping fault current is exceeded.
The impetus for the invention is the necessity to increase the reliability of the RCDs currently on the market by powers of ten in order to make their tripping as reliable as that of miniature circuit breakers (MCBs).
In the past few years, a series of system checks have shown that the RCDs currently do not meet the requirements that must be met for the reliability of the shutdown in the event of a fault in a protective device (1).
Today, when checking the functionality of RCDs with an installation period of up to 10 years, one must expect an average failure percentage of a few percent, whereby a more detailed breakdown shows that with an installation period of 10 years or longer, even 10% of the switches do not work . Since RCCBs are installed with an increasing tendency in millions of units per year, it is a burning security problem that must be solved as quickly as possible.
The causes of the failures lie in the design principle of the Fl switches currently on the market. On the one hand, they use ever more sensitive permanent magnet triggers to save on the material for the summation current transformers (e.g. EP-OS 228 345,351 674,293 702), on the other hand electronic circuits with numerous components that are constantly connected to the mains voltage and therefore only have a limited service life (e.g. B. EP-OS 252 693, 152 043). Not only are they exposed to overvoltages, they also consume electrical energy (the output of such FI modules is around one watt) (2).
The third possibility consists in the use of energy storage circuits which are independent of the mains voltage and which, although they can operate less sensitive permanent magnet triggers, still require sophisticated and fault-prone switch locks. This solution has long been known and led to the basic patent AT-PS 197 468. Somewhat modified it is used in the patents DE-AS 25 40 815 and CH-PS 656 262.
The design principle, in which permanent magnet releases are used for triggering the RCDs, leads to a dead end with today's tendency to develop increasingly sensitive triggers. The grinding surfaces between the release anchor and the yoke have to be processed more and more difficult and then tend to show sticking effects, the causes of which have not yet been clarified and which may be due to microcrystalline bridging. Sophisticated cleaning processes in clean rooms improve reliability, but do not provide any real remedy.
The second option is to use a shunt release instead of a permanent magnet release.
Such triggers have been used successfully for a long time for the quick electromagnetic triggering of circuit breakers. However, even when memory circuits are used, the power of the summation current transformer is not sufficient to operate a shunt release. For this reason, mains voltage-dependent electronic amplifier circuits have been used so far, the input of which is connected to the secondary winding of the summation current transformer and which, when fault currents of a corresponding magnitude flow, mostly actuate the shunt release using the mains voltage using the mains voltage (see e.g. AT-PS 378 444). However, this solution has the previously mentioned disadvantages with regard to the reliability of the triggering after a longer installation time due to the electronic components that are constantly connected to the mains voltage.
According to the invention, a solution is now offered in that, as has been known per se, the converter relay does not operate according to the holding or blocking magnet principle and by closing the associated (1) (Biegelmeier, G. and Kieback, Dr.: The problem of reliability bel the residual current circuit.
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Electricity, Issue 11, 1990).
(2) Solleder, R.: Why residual current circuit breakers with tripping independent of the mains voltage? etz Vol. 107 (1986), H. 20, pp. 938-945
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Relay contact of the lock release actuates the switch lock depending on the mains voltage, whereby the residual current circuit breaker switches off and then the converter relay returns to its initial position, and that the converter relay is designed with a coil as a bistable relay, which closes a working contact due to the pulse of the energy storage circuit and thus the The lock release of the key switch is actuated and the switching relay resets the converter relay to its starting position by means of a mechanical coupling with the key lock (FIG. 2).
Instead of the unreliable mains voltage-dependent electronics, the secondary winding of the summation current transformer is connected to an energy storage circuit that is independent of the mains voltage, so that the energy storage circuit is charged as a function of time if the fault current is high. After the threshold voltage of a voltage-dependent switching component is reached, a pulse is sent to the converter relay, the normally open contact of which is closed, whereby an electromagnetic shunt release with high release force for the release of the switch lock (hereinafter referred to as lock release) receives the necessary excitation current from the mains and the FI Switch turns off.
By using a bistable converter relay, the same must be reset to its starting position after the pulse and the switching process initiated thereby. According to a first embodiment, this is done by a suitable mechanical coupling.
Another variant of the invention is characterized in that, as is known per se, the converter relay does not operate according to the holding or blocking magnet principle and, by closing the associated relay contact, the lock trigger actuates the switch lock depending on the mains voltage, whereby the residual current circuit breaker switches off and then the converter -Relay returns to its initial position, and that the converter relay is designed with a coil as a bistable relay, which closes a normally open contact through the pulse of the energy storage circuit and thus actuates the lock trigger of the switch lock and the reset of the converter relay electrically by an additional reset coil the converter relay takes place,
which is connected to the power lines via an electronic time delay circuit (FIG. 3).
In this embodiment, the bistable converter relay is reset electrically by an additional actuating coil, which receives the excitation current from the mains by closing the relay contact.
According to the invention, this actuating coil is connected to the mains on the mains side via a suitable time delay circuit. This means that the mains and consumer side must be taken into account when connecting the RCD switch.
A further variant of the invention is characterized in that, as is known per se, the converter relay does not operate according to the holding or blocking magnet principle and, by closing the associated relay contact, the lock trigger actuates the switch lock depending on the mains voltage, whereby the residual current circuit breaker switches off and then the converter -Relay returns to its initial position, and that the converter relay is designed with a coil as a bistable relay that closes a normally open contact due to the pulse of the energy storage circuit and thus actuates the lock trigger of the switch lock and the converter relay is reset by the same coil that not only with the energy storage circuit,
but is also connected to the power lines via an electronic time delay circuit (FIG. 4).
According to the invention, the electrical resetting is carried out by the actuating coil of the converter relay. Since the trip circuit is galvanically isolated from the power lines, the coil can be connected to a second circuit that is connected to the power lines. This circuit contains a suitable time delay circuit and the contact of the converter relay.
According to an advantageous embodiment of the invention, the time delay circuit consists of a rectifier circuit, a storage capacitor and a voltage-dependent, electronic switching module and is supplied with energy in a manner dependent on the mains voltage (FIG. 6).
It is easy to understand that the inventive designs of these RCDs have a tripping reliability that is orders of magnitude higher than the designs currently on the market. Both the lock release and the converter relay have a very long service life given the low switching frequencies of an RCD. The lock release can be built as robustly as the usual release of miniature circuit breakers and the switch lock of the new Fl switches can also correspond to that of a miniature circuit breaker in principle. The converter relay can be completely hermetically closed in the case of electrical reset, but the adhesive phenomena of the previously used permanent magnet releases are also eliminated with mechanical reset.
The electronic components of the energy storage circuit independent of the mains voltage also have very long lifetimes. If no fault current flows, these components are in a de-energized operating state most of the time. Their reliability indicators are correspondingly high.
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The RCDs according to the invention thus achieve the goal of achieving a tripping reliability of the same order of magnitude as is customary with the line circuit breakers. The old objection that the tripping depends on the mains voltage is just as unsound as the old argument that the zeroing is not reliable because of the neutral interruptions.
Ultimately, line voltage-dependent RCDs are already approved in most countries, at least for additional protection, even though they work with electronics that are constantly at full line voltage and therefore have a limited lifespan.
Of course, overvoltage protection elements, such as diodes or varistors, can be installed at the appropriate points in a known manner in all solutions according to the invention in the converter circuit and in the circuit of the lock release.
The invention is described below by way of example with reference to FIGS. 1 to 6.
Figure 1 shows an inventive FI switch that works with a monostable converter relay with coil --4--. The secondary winding of the summation current transformer --2-- is connected to the coil of the monostable transformer relay --4-- via a mains voltage-independent energy storage circuit --3.
If the fault current in the primary winding of the summation current transformer --2-- exceeds a predetermined value. then the energy storage circuit sends a sufficiently long actuation pulse to the converter relay --4--, whereby the relay contact --5-- is closed for as long. that when the switch is switched on, the Schfossaustöser-1 - the Schafttschoss - 6 - is operated safely. This opens the switch contacts --8-- and the break contact --20--. The monostable converter relay then returns to its starting position, which opens the relay contact --5 - and the FI switch is ready for manual restart.
The connection of the power lines is independent of the power and consumer side, as is the case with the solutions shown in FIGS. 2 and 5.
The RCDs according to the invention can also be equipped with the usual test devices --7--.
Figure 2 shows an FI switch according to the invention, which works with a bistable converter relay with coil --4--. The secondary winding of the summation current transformer --2-- is again connected to the coil of the bistable transformer relay --4-- via a mains voltage-independent energy storage circuit --3.
If the fault current in the primary winding of the summation current transformer --2-- exceeds a predetermined value, the energy storage circuit sends an actuation pulse to the transformer relay --4--, which closes the relay contact --5-- and initially remains in this position . When the switch is switched on, the lock release --1-- is actuated by the excitation current coming from the mains and triggers the switch lock --6--. This opens the switch contacts --8-- and the break contact --20--.
During the switch-off process, the mechanical switch --14 - brings the bistable converter relay - 4 - from the key switch - 1 - back into its original position and the FI switch is ready for manual restart.
FIG. 3 shows an FI shatter according to the invention, which also works with a bistable converter relay with coil --4. The secondary winding of the summation current transformer --2 - is again connected to the coil of the bistable transformer relay --4-- via a mains voltage-independent energy storage circuit --3-- and the function during tripping is the same as described in FIG. 2. The bistable converter relay --4-- is reset electrically by a suitable time delay circuit --15--, which works depending on the mains voltage, and by means of the reset coil --10-- the relay contact --5-- in its Starting position is brought.
Figure 4 shows an inventive FI switch, which also works with a bistable converter relay with coil --4 -. The function is the same as described in Figures 2 and 3. The only difference is that the bistable converter relay --4-- has only one relay coil, which is used both for triggering the RCD by the key switch release --1-- and for resetting the relay contact - 5-- serves. The reset is carried out again by a suitable time delay circuit --15--, which works depending on the mains voltage and is connected to the mains on the mains side.
In the circuits according to FIGS. 3 and 4, the mains and consumer side must be taken into account when connecting the RCD switch.
Figure 5 shows an example of a circuit for the mains voltage-independent energy storage circuit --3--, which consists of a rectifier circuit --11--, which charges a storage capacitor --12-- when the fault current flows in the summation current transformer --2--. After reaching a certain charging voltage and thus also the charging energy required to operate the converter relay --4--. a semiconductor component becomes --13-- conductive and the charging energy is discharged in pulses via the coil of the converter relay --4--. whereby the relay contact --5-- is closed and the lock release receives its excitation current from the mains.
By turning the switch lock --6-- off, the converter
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The relay is mechanically reset, which causes the relay contact --5-- to open and the circuit breaker contact --20 - to interrupt the circuit for the trigger and the test circuit. The connection of the FI switch is therefore independent of the network and consumer side.
FIG. 6 shows an example of a time delay circuit for the electrical reset of the bistable converter relay. After triggering the Fi-Schatters, as described in Figures 2 and 3, a special electric circuit begins, which is connected to the power lines before the breaker contacts - 8 - and is closed by the relay contact --5-- when the Fl switch is triggered by the lock release --1-- charging a mains voltage-dependent energy storage circuit (not to be confused with the mains voltage-independent energy storage circuit which is connected to the converter relay). The charging capacitor --17-- is charged via the charging resistor - 19 - and a rectifier circuit --16--.
After the required charging energy for actuating the reset coil --10-- of the converter relay --4-- has been reached, the semiconductor module --18-- becomes conductive and the reset takes place in pulses by the reset coil --10--. When connecting a residual current circuit breaker of this construction, the mains and consumer side must be observed, although the break contact --20-- interrupts the circuit for the lock release and the test circuit.
1. Residual current circuit breaker, consisting of a housing with terminals for power lines, in which a contact apparatus with associated switch lock, a test device, an actuator, an electromagnetic shunt release with high release force for the switch lock (lock release), a summation current transformer, an electronic energy storage circuit and a relay with the corresponding make contact (converter relay) are accommodated.
the secondary winding of the summation current transformer feeds the mains voltage-independent electronic energy storage circuit without a galvanic connection to the mains lines and the energy storage circuit actuates the converter relay when a certain limit value of the tripping fault current is exceeded, characterized in that, as is known per se, the converter -Relay (4) not after holding or
Locking magnet principle works and by closing the associated relay contact (5)
The lock release (1) actuates the key switch (6) depending on the mains voltage, whereby the residual current circuit breaker switches off and then the converter relay (4) returns to its initial position, and that the converter relay (4) is designed with a coil as a bistable relay. that through the
Energy storage circuit pulse (3)
closes a make contact (5) and thus actuates the lock trigger (1) of the key switch (6) and, by switching off, resets the
Converter relay (4) in its starting position by means of a mechanical coupling (14) with the
Key switch (6) takes place (Figure 2).
2. Residual current circuit breaker, consisting of a housing with connection terminals for power lines, in which a contact apparatus with associated switch lock, a test device, an actuator, an electromagnetic shunt release with high release force for the switch lock (lock release), a total current transformer, an electronic energy storage circuit and a Relays with the corresponding make contact (transformer relay) are accommodated, whereby the secondary winding of the summation current transformer feeds the mains voltage-independent electronic energy storage circuit without a galvanic connection to the mains cables and the energy storage circuit supplies the transformer relay when a certain limit value of the tripping fault current is exceeded confirmed characterized by
that - as known per se - the converter relay (4) not after the hold or
Locking magnet principle works and by closing the associated relay contact (5)
The lock release (1) actuates the key switch (6) depending on the mains voltage, whereby the residual current circuit breaker switches off and then the converter relay (4) returns to its initial position, and that the converter relay (4) is designed with a coil as a bistable relay. that through the
Impulse of the energy storage circuit (3) closes a normally open contact (5) and thus actuates the lock trigger (1) of the switch lock (6) and the resetting of the converter relay (4) electrically by means of an additional reset coil (10) of the converter relay ( 4) is done using an electronic
Time delay circuit (15) is connected to the power lines (Figure 3).
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