AT414288B - Fehlerstrom-schutzeinrichtung mit zwei gegeneinander thermisch getrennten funktionsräumen und netzspannungsabhängiger fehlerstromauslösung - Google Patents

Description

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Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (residual current devices - in Folge kurz RCDs genannt) sollen zum Schutz von Menschen gegen elektrischen Schlag dienen oder Sachwerte gegen Schäden schützen, die durch die Elektrizität entstehen können. An die Funktionssicherheit (Zuverlässigkeit) von RCDs müssen daher höchste Anforderungen gestellt werden. Für das 5 Verständnis der Erfindung ist die Kenntnis des Standes der RCD-Technik notwendig.

Nach dem Auslöseprinzip geordnet ergeben sich folgende Bauformen für RCDs: 1. Bei netzspannungsunabhängigen RCDs wird die Messung und Auswertung des Fehler-io stromsignals und die Ausschaltung durch ein empfindliches Schaltschloß mit Bauteilen durchgeführt, deren Funktion vom Vorhandensein der Netzspannung unabhängig ist. Dabei werden für die Auslösung des Schaltschlosses sogenannte Permanentmagnetauslöser PMA (Haltemagnetauslöser) verwendet, weil wegen der erforderlichen Dimensionen der RCDs der Summenstromwandler nur sehr geringe Auslöseleistungen abgeben kann. 15 Zum Erreichen der erforderlichen Auslöseempfindlichkeit müssen die Pol- und Ankerflächen der PMAs feinstbearbeitet werden, damit der verbleibende Luftspalt möglichst klein gehalten werden kann (Größenordnung pm). Diese Forderung führt aber nach einiger Zeit zum Versagen von PMAs durch das sogenannte "Kleben" und damit beträgt auch heute noch die Ausfallquote von RCDs der netzspannungsunabhängigen Bauformen je nach Einbau-20 dauer bis zu 10%, was für eine Schutzeinrichtung viel zu hoch ist. Seit Jahren versucht man daher, durch Sondermaßnahmen das "Kleben" der PMAs zu verhindern. So hat man etwa hoch nickelhältige Magnetmaterialien verwendet oder versucht, den PMA hermetisch zu kapseln (AT-B-0 378 443). Auch dünne Schutzschichten wurden vorgeschlagen (EP-B1-0 293 702, DE-U-29 801 584). Zwei weitere derartige Vorschläge sollen kurz be-25 sprachen werden:

Die eine Methode versucht, durch kurze Stromimpulse ein periodisches kurzes Abheben des PMA-Ankers zu erreichen. Klebt der Anker, dann wird über eine elektronische Überwachung die RCD ausgeschaltet (Europäische Patentanmeldung EU 590 545 A2).

In der anderen wird vorgeschlagen, die Kondensation von Wasserdampf im Innern der RCD 30 oder des PMA durch Temperaturerhöhungen mit Heizwiderständen oder Heizfolien zu verhindern (EP 0 982 750 A3, DE 44 05 868 A1).

Alle diese Versuche sind zum Scheitern verurteilt, weil dabei die physikalischen Ursachen des Klebens nicht richtig beurteilt werden. Es handelt sich um Phänomene der Oberflä-35 chenphysik, also um Molekularkräfte der Kohäsion (gleiche Werkstoffe) oder Adhäsion (verschiedene Werkstoffe), wie sie z.B. beim Kleben von Endmaßen aneinander beobachtet werden. Natürlich führen auch grobe Verunreinigungen, z.B. Ölreste nach dem Verharzen, zum Kleben. Letztere Klebeursachen können durch sorgfältige Reinigung vermieden werden, nicht aber das Kleben durch Molekularkräfte. 40 Völlig abwegig ist die Idee der periodischen Stromimpulse. Die dafür notwendigen komplizierten elektronischen Überwachungseinrichtungen haben eine höhere Ausfallrate als die RCD und die Methode der Kondensationsverhinderung im PMA, die offenbar durch die in den derzeitigen Normen enthaltenen Klimaprüfungen (Hitze-Feuchte) initiiert wurde, ist pra-45 xisfremd.

Erfahrungen aus umfangreichen Untersuchungen in elektrischen Verbraucheranlagen haben jedenfalls ergeben, daß das Kleben der PMAs und die durch sie bedingten hoch-empfindlichen Schaltschlösser die Hauptursachen des Versagens von netzspannungsun-50 abhängigen RCDs sind.

Zusammenfassend muß also festgestellt werden, daß die RCD-Technik mit PMAs, die netzspannungsunabhägig auslösen, nicht in der Lage ist, eine zufriedenstellende Funktionssicherheit von RCDs zu gewährleisten. 55 3

AT 414 288 B 2. Bei netzspannungsabhängigen RCDs wird die Messung, Auswertung und Ausschaltung des Fehlerstromes mit Bauteilen durchgeführt, deren Funktion von der Netzspannung abhängig ist. Für die Messung und Auswertung des Fehlerstromsignals werden elektronische Meß-und Verstärkerschaltungen verwendet und die Betätigung des Schaltschlosses für die Aus- 5 Schaltung des Kontaktapparates erfolgt durch einen Arbeitsstromauslöser, der durch eine Schaltelektronik betätigt wird, wenn der Fehlerstrom eine vorgegebene Höhe überschreitet.

Der Nachteil der netzspannungsabhängigen RCDs besteht darin, daß alle elektronischen Bauteile dauernd durch die volle oder durch Teile der Netzspannung beansprucht werden io und daher nur eine begrenzte Lebensdauer besitzen. Diesbezügliche Berechnungen ergeben Ausfallraten λ in der Größenordnung von 1.000 fit, und damit muß nach längerer Einbaudauer wieder mit Ausfallquoten bis zu 10% und sogar darüber gerechnet werden. Tatsächlich haben Überprüfungen von Verbraucheranlagen in den USA ergeben, daß für netzspannungsabhängige RCDs, die in den USA "ground fault Circuit interruptors" genannt wer-15 den, die Ausfallquoten Λ bei 10% und sogar darüber liegen. Damit zeigt sich, daß auch derartige netzspannungsabhängige RCDs nur mit großen Vorbehalten als Schutzeinrichtungen gegen die Gefahren der Elektrizitätsanwendung verwendet werden können. 3. Einfache Überlegungen zeigen, daß ein neues technisches Konzept (EP 0495 771 B1) zur 20 Lösung des Problems der Zuverlässigkeit von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen führen kann. Dabei werden Messung und Auswertung des Fehlerstromsignals netzspannungsunabhängig durch eine Energiespeicherschaltung durchgeführt. Die Ausschaltung erfolgt dann über ein einfaches und zuverlässiges Schaltschloß mit Hilfe eines Arbeitsstromauslösers, der durch ein Wandlerrelais ans Netz geschaltet wird, wenn das Wandlerrelais von der 25 Energiespeicherschaltung den Auslöseimpuls erhält. Diese Lösung kann als bedingt netzspannungsabhängig bezeichnet werden. Infolge des zuverlässigen Schaltschlosses und den im fehlerfreien Zustand der geschützten Verbraucheranlage kaum strommäßig oder spannungsmäßig beanspruchten Bauelementen der elektronischen Komponenten für die Messung und Auswertung des Fehlerstromsignals liegen die Ausfallraten bei dieser Lösung 30 unter λ = 100 fit und die RCDs dieser Bauform können um eine Zehnerpotenz zuverlässiger als die in den Abschnitten 1 und 2 beschriebenen Bauformen sein. Aber auch bedingt netzspannungsabhängige RCDs enthalten - wenn auch weniger und einfachere - elektronische Bauelemente, und es erhebt sich daher die Frage, ob eine weitere Erhöhung der Zuverlässigkeit derartiger RCDs möglich ist. Tatsächlich hängen die Ausfallraten λ aller elektroni-35 sehen Bauelemente stark von der Temperatur ab, der sie ausgesetzt sind. Gelingt es die Temperatur zu senken, dann läßt sich also die Lebensdauer der elektronischen Energiespeicherschaltung und des elektronischen Wandlerrelais erhöhen, d.h. die Ausfallrate λ wird sinken. 40 Die Kenntnis der Temperaturverteilung im Innern einer RCD hilft hier weiter. Als Hauptwärmequelle wirkt der Summenstromwandler infolge der stark reduzierten Leiterquerschnitte der Primärwicklung. Es liegt nahe, die Hauptwärmequellen Summenstromwandler, Kontaktapparat und Klemmen gegen die elektronischen Bauelemente thermisch zu isolieren. Um dieses Ziel zu erreichen, besteht erfindungsgemäß die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung aus 45 zwei gegeneinander thermisch getrennten Funktionsräumen, und zwar einem Hauptteil und einem Zusatzteil. Im Hauptteil sind der Summenstromwandler als Wärmequelle und die elektromechanischen Bauelemente angeordnet. Im Zusatzteil befinden sich die elektronischen Bauelemente, deren Ausfallrate λ von der Temperatur abhängt. Die beiden Funktionsräume sind erfindungsgemäß durch eine oder mehrere thermisch isolierende Schichten so gegeneinander getrennt, für die auch das Gehäuse der RCD in geeigneter Form ausgebildet ist.

Durch die niedrigere Umgebungstemperatur der elektronischen Bauelemente im Zusatzteil wird eine weitere wesentliche Erhöhung der Lebensdauer der Schaltgruppen und damit der 55 RCD erreicht. Dabei ist zu beachten, daß die elektronischen Baugruppen für die Messung, 4

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Auswertung und Ausschaltung des Fehlerstromes in einem Betriebszustand arbeiten, der als eine Art "dormant mode" bezeichnet werden kann. Schon dadurch sind die Ausfallraten λ niedrig und bei abgesenkten Temperaturen ist dadurch die Lebensdauer der elektronischen Baugruppen entscheidend verlängert. 5

Da die Luft eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit λ hat (λ « 0,02...0,03 W/mgrd) als die Duroplaste der Gehäuse der RCDs (λ * 0,2...0,3 W/mgrd), können erfindungsgemäß im Hauptteil und/oder im Zusatzteil wärmeisolierende Luftpolster vorgesehen werden. Eine weitere Absenkung der Temperatur im Zusatzteil wird erfindungsgemäß durch Lüftungsöff-io nungen erreicht, die eine Luftzirkulation im Zusatzteil möglich machen. Die für die Luftpolster erforderlichen Ausnehmungen können erfindungsgemäß auch in der äußeren Seitenfläche des Zusatzteiles angebracht werden, um eine Wärmeübertragung von eventuell angereihten elektrischen Betriebsmitteln, die eine Wärmequelle enthalten (z.B. Leitungsschutzschalter oder Schmelzsicherungen) so klein als möglich zu halten. 15

Zur Erreichung eines möglichst hohen Temperaturunterschiedes zwischen den Funktionsräumen wird erfindungsgemäß im Hauptteil das Schaltschloß und der Arbeitsstromauslöser näher beim Zusatzteil als der Summenstromwandler angeordnet. 20 Wird als Wandlerrelais anstelle eines elektronischen Relais ein elektromechanisches Relais verwendet, dessen Ausfallrate λ nur wenig von der Temperatur abhängt, dann kann es, erfindungsgemäß auch im Hauptteil angeordnet werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die Figuren 1 bis 10. Die Figuren 1 bis 4 zeigen 25 den Stand der Technik der verschiedenen Lösungen für die Fehlerstromauslösung von RCDs. Die Figuren 5 und 6 geben einerseits aus einem Versuchsergebnis den großen Temperaturunterschied in den Funktionsräumen einer erfindungsgemäßen RCD und andererseits die Erhöhung der Lebensdauer der elektronischen Bauelemente durch Verringerung ihrer Betriebstemperaturen wieder. Schließlich werden in den Figuren 7 bis 10 die erfmdungsgemäßen Lösungen 30 dargestellt.

Figur 1 zeigt eine RCD mit netzspannungsunabhängiger Fehlerstromauslösung. Sie besteht aus dem Kontaktapparat (1), dem Summenstromwandler (2), der netzspannungsunabhängigen Elektronik (3), dem Permanentmagnetauslöser (5A) und dem durch den Permanentmagnetaus-35 loser betätigten hochempfindlichen Schaltschloß (6).

Figur 2 zeigt übertrieben dargestellt einen feinstgeschliffenen (geläppten) Luftspalt eines Permanentmagnetauslösers, der durch den Auslöseanker und das Magnetjoch gebildet wird. Der Auslöseanker wird durch die magnetische Haltekraft F, die in der Größenordnung von Pond 40 liegt, gegen das Magnetjoch gedrückt. Man erkennt, daß der Luftspalt D durch kleinste Berührungsflächen (Berührungspunkte) "a" distanziert wird (Figur 2-1), wobei in den Berührungsflächen hohe spezifische Drucke auftreten und die Anzahl der Flächen den Abstand des Luftspaltes und dessen magnetischen Widerstand bestimmen. Bei entsprechend hohen Drucken in den Berührungsflächen "a" entsteht durch Materialfluß im Laufe der Zeit eine Vergrößerung der 45 Berührungsflächen ("A" in Figur 2-2). Gleichzeitig verringert sich der Luftspalt (d in Figur 2-2) und beide Einflüsse bewirken eine Verkleinerung des magnetischen Widerstandes für den Haltefluß und damit seine Vergrößerung. Die magnetische Haltekraft für den Auslöseanker wird dadurch größer und damit sinkt die Auslösempfindlichkeit der RCD. Verstärkend könnten auch Molekularkräfte wirksam werden. 50

Figur 3 zeigt eine RCD mit netzspannungsabhängiger Fehlerstromauslösung. Sie besteht aus Kontaktapparat (1), dem Summenstromwandler (2), der netzspannungsabhängigen Elektronik (3) für die Messung, Auswertung und Ausschaltung des Fehlerstromes, einem Arbeitsstromauslöser (5B) und einem Schaltschloß (6), das einfach und zuverlässig aufgebaut sein kann, wie 55 z.B. bei Leitungsschutzschaltem, da vom Netz eine ausreichende Energie für die Auslösung 5

AT 414 288 B durch den Arbeitsstromauslöser (5B) zur Verfügung steht.

Figur 4 zeigt eine RCD mit bedingt netzspannungsabhängiger Fehlerstromauslösung. Sie besteht aus Kontaktapparat (1), dem Summenstromwandler (2), einer netzspannungsunabhängi-5 gen Elektronikschaltung für die Messung und Auswertung des Fehlerstromsignals (3), die das Wandlerrelais (4) betätigt und einem Arbeitsstromauslöser (5B), der durch das Wandlerrelais (4) ans Netz geschaltet wird, wenn der Fehlerstrom eine vorgegebene Höhe überschreitet. Der Arbeitsstromauslöser (5B) entklinkt das Schaltschloß (6), das einfach und zuverlässig konstruiert ist, und durch die Öffnung des Kontaktapparates wird der Fehlerstrom unterbrochen, io Das Wandlerrelais (4) kann als elektronisches Relais (Thyristor) oder als elektromechanisches Relais ausgeführt sein.

Figur 5 zeigt die Ergebnisse einer Messung der Übertemperaturen im Innern von RCDs, die bei Nennbetrieb, also mit Nennstrom durchgeführt wurde. Der Funktionsraum (F1) für den Sum-15 menstromwandler (2) und die elektromechanischen Bauelemente ist gegen den Funktionsraum (F2) für die elektronische Baugruppe E thermisch durch die Gehäusewände aus Kunststoff getrennt. Die Temperatur wurde im Funktionsraum (F1) (Hauptteil) zwischen dem Summenstromwandler SW und der elektronischen Baugruppe E gemessen (T1) und im Funktionsraum (F2) (Zusatzteil) in der Raummitte (T2). Die Temperaturdifferenz betrug beispielsweise etwa 20 30 °C. Damit ist gezeigt, daß eine wesentliche Temperaturdifferenz zwischen den Funktions räumen (F1) und (F2) infolge der thermischen Trennung entsteht.

Figur 6 zeigt die Abhängigkeit der Ausfallraten λ einiger elektronischer Bauelemente (Kohleschichtwiderstand E1, Kunststofffolienkondensator E2 und Thyristor E3) von der Temperatur. 25

Figur 7 zeigt eine erfindungsgemäße RCD bestehend aus dem Funktionsraum F1 (Hauptteil) und dem Funktionsraum (F2) (Zusatzteil). Im Hauptteil (F1) sind die Anschlußklemmen für die Netzleitungen L1, L2, L3 und N, der Kontaktapparat (1), das Schaltschloß (6), der Summenstromwandler (2) und der Arbeitsstromauslöser (5B) untergebracht. Im Zusatzteil (F2), der vom 30 Hauptteil (F1) so gut als möglich thermisch isoliert ist, befinden sich die elektronische Schaltung (3) und das Wandlerrelais (4). Wird ein elektromechanisches Wandlerrelais verwendet, so könnte es auch im Hauptteil (F1) angebracht werden. Erfindungsgemäß wird also der Hauptteil (F1) gegen den Zusatzteil (F2) durch eine oder mehrere thermisch isolierende Schichten (7), die auch Teil des Gehäuses sein können, gegen Wärmebeeinflussungen aus dem Hauptteil (F1) 35 soweit als möglich geschützt.

Figur 8 zeigt eine erfindungsgemäße RCD, bei der zur weiteren Absenkung der Temperatur im Gehäuse des Hauptteils (F1) und Zusatzteils (F2) Ausnehmungen (9) für wärmeisolierende Luftpolster (8) vorgesehen werden, und um eine Luftzirkulation zu ermöglichen, werden erfin-40 dungsgemäß auch Lüftungsöffnungen (10) in den Gehäusen des Hauptteils (F1) und Zusatzteils (F2) vorgesehen. Die erfindungsgemäßen Ausnehmungen (9) können auch in der äußeren Seitenfläche des Zusatzteils (F2) angebracht werden, um eine Wärmeübertragung von eventuell angereihten elektrischen Betriebsmitteln (11), die eine Wärmequelle wie z.B. Leitungsschutzschalter oder andere Reiheneinbaugeräte enthalten, so klein als möglich zu halten. 45

Figur 9 zeigt eine erfindungsgemäße RCD mit einem elektromechanischen Wandlerrelais (4A), wobei dieses im Hauptteil (F1) angeordnet ist, da seine Zuverlässigkeit nur wenig von der Umgebungstemperatur abhängt. Für die Erreichung eines möglichst hohen Temperaturunterschiedes zwischen Kontaktapparat (1) und Summenstromwandler (2), die beide als Wärmequellen so wirken, und den elektronischen Bauelementen von netzspannungsunabhängigem elektronischem Speicher- und/oder Verstärker-Schaltkreises (3) und Wandlerrelais (4), die im Zusatzteil (F2) angeordnet sind, wird erfindungsgemäß, wie in Figur 10 gezeigt, das Schaltschloß (6) und der Arbeitsstromauslöser (5B) zwischen dem Zusatzteil (F2) und dem Summenstromwandler (2) bzw. dem Kontaktapparat (1) angeordnet. 55

Claims (4)

1. 6 AT 414 288 B Literatur: Biegelmeier, G. und Hirtler, R.: Schutz gegen elektrischen Schlag - Grundlagen - Zuverlässigkeit von Schutzeinrichtungen - Prüfungen und Messungen in Verbraucheranlagen, insbesonde-5 re in landwirtschaftlichen Betriebsstätten - Elektrische Unfälle und deren Statistiken, ESF-Bericht Nr. 5 (2004), Gemeinnützige Privatstiftung Elektroschutz, Wien Patentansprüche: 10 1. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung bestehend aus einem Gehäuse mit zwei gegeneinander thermisch getrennten Funktionsräumen, und zwar einem Funktionsraum (F1, Hauptteil) und einem Funktionsraum (F2, Zusatzteil), wobei im Hauptteil (F1) (mit Anschlußklemmen für die Netzleitungen) der Kontaktapparat (1) für die Unterbrechung der Außenleiter und 15 des Neutralleiters oder mit unterbrechungslos durchgeführtem Neutralleiter, ein Schaltschloß (6), ein Summenstromwandler (2) und im Zusatzteil (F2) ein vorzugsweise netzspannungsunabhängiger elektronischer Speicher- und/oder Verstärker-Schaltkreis (3) und ein Wandlerrelais (4), das ein elektromechanisches Relais oder ein elektronisches Relais (Thyristor) sein kann, untergebracht sind, wobei der elektronische Schaltkreis mit der 20 Sekundärwicklung des Summenstromwandlers (2) verbunden ist und, wenn der Fehler strom einen vorgegebenen Wert überschreitet, über das Wandlerrelais (4) netzspannungsabhängig einen Arbeitsstromauslöser (5B) betätigt, der das Schaltschloß (6) entklinkt und damit die Öffnung des Kontaktapparates bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzteil (F2) und damit auch die in ihm angeordneten elektronischen Bauelemente von 25 netzspannungsunabhängigem elektronischem Speicher- und/oder Verstärker-Schaltkreises (3) und Wandlerrelais (4) gegen den Hauptteil (F1) durch eine oder mehrere thermisch isolierende Schichten (7), die auch Teil des Gehäuses sein können, gegen Wärmebeeinflussungen aus dem Hauptteil (F1) geschützt sind (Figur 7).
2. 2. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von Ausnehmungen (9) im Gehäuse des Zusatzteiles (F2) Hohlräume gebildet werden, die als wärmeisolierende Luftpolster zwischen dem Zusatzteil (F2) und dem Hauptteil (F1) und/oder eventuell angereihten elektrischen Betriebsmitteln (11), die Wärmequellen wie z.B. Leitungsschutzschalter oder andere Reiheneinbaugeräte enthalten, dienen (Figur 8). 35
3. 3. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zusatzteil (F2) Lüftungsöffnungen (10) vorhanden sind, die eine Luftströmung im Zusatzteil (F2) und/oder zwischen dem Zusatzteil (F2) und dem Hauptteil (F1) und/oder eventuell angereihten elektrischen Betriebsmitteln (11) erlauben (Figur 8). 40
4. 4. Fehlerstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltschloß (6) und der Arbeitsstromauslöser (5B) im Hauptteil (F1) zwischen den beiden Wärmequellen Kontaktapparat (1) und Summenstromwandler (2) und den im Zusatzteil (F2) befindlichen elektronischen Bauelementen von (3) und (4) angeordnet sind, sodaß der 45 Abstand zwischen letzteren und den beiden Wärmequellen möglichst groß ist (Figur 10). Hiezu 10 Blatt Zeichnungen 50 55