AT505799A1

AT505799A1 - Fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: AT505799A1
Application number: AT15762007A
Authority: AT
Inventors: Lothar Fickert; Walter Hipp; Ernst Schmautzer; Reinhard Hirtler
Original assignee: Tech Universit T Graz; Forschungsholding Tu Graz Gmbh
Priority date: 2007-10-04
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2009-04-15
Also published as: AT505635B1; WO2009043075A3; AT505635A4; WO2009043075A2; AT505799B1

Description

PI0739

Fehlerstromschutzschalter

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fehlerstromschutzschalter mit einem Summen-Stromwandler für zu überwachende Leitungen, welche über die Kontakte eines mehrpoligen, ersten Schalters geführt sind, wobei dieser Schalter in seiner Schließstellung von einem Schaltschloss gehalten ist, welches bei Überschreiten einer vorgegebenen Stromdifferenz in den Leitungen den Schalter im Sinne eines Öffnens seiner Kontakte auslöst, und mit einem zweiten, als Prüftaster ausgebildeten Schalter, bei dessen Schließen ein definierter, zum Auslösen des Schalters hinreichender Fehlstrom von einem Leiter abgezweigt wird.

Fehlerstromschutzschalter, früher als Fl-Schalter und nun normgerecht EU-weit RCD genannt, sollen einen überwachten Stromkreis von einem speisenden Kreis trennen, falls die Summe der überwachten Ströme von einem definierten Wert, z.B. 30 mA, abweicht. Eine solche Stromdifferenz tritt insbesondere dann auf, wenn Strom über einen Leiter gegen Erde fließt, was der Fall sein kann, wenn ein Leiter einen Isolationsfehler aufweist oder eine Person einen spannungsführenden Leiter berührt

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines 2-poligen Fehlerstromschutzschalters herkömmlicher und weit verbreiteter Bäumt. Ein versorgender Stromkreis weist zwei Leiter LI und N sowie gegebenenfalls einen Erdleiter PE auf, wobei die Spannung beispielsweise von der Wicklung WT eines nicht gezeigten Transformators über eine zweipolige Sicherung Fl geliefert wird.

Wesentlich für den Fehlerstromschutzschalter ist ein Summen-Stromwandler, der einen Ringkem RK besitzt. Die zu überwachenden Leitungen LI, N sind»weldwiüber die Kontakte eines mehrpoligen, ersten Schalters S1 zu einem Lastkreis LK mit einem möglichen Verbraucher V geführt, wobei dieser Schalter in seiner Schließstellung von einem Schaltschloss SC gehalten ist.

Falls in dem überwachten Stromkreis irgendwo ein Strom gegen Erde fließt, ist die Summe der Ströme, welche durch die Leiter LI und N fließt größer als Null und es entsteht eine Stromdifferenz, welche in einer Wicklung WT eine Spannung erzeugt, die in dem Schaltschloss zu einer elektromagnetischen Auslösung des federbelasteten, mehrpoligen, ersten Schalters S1 führt,wodurch der Stromkreis sehr rasch, beispielsweise innerhalb von 200 ms, unterbrochen wird. P10739 • ♦ · ·· ♦ ♦ · ·· · · • · · · · · • ···· · · · • · · · · ♦ ·♦· · ··· ·· -2-

Um, wie in vielen Staaten auch vorgeschrieben, die Funktion des Fehlerstromschutzschalters überprüfen zu können, ist ein zweiter Schalter S2 vorgesehen, der als Prüftaster ausgebildet ist und bei dessen Schließen ein definierter, zum Auslösen des Schalters hinreichender Fehlstrom in einen Leiter eingespeist wird, was gemäß Fig. 1 über einen Widerstand R erfolgt Dieser Widerstand ist so groß, dass er bei geschlossenem Schalter S1 über die Netzspannung, z.B. 240jVolt einen entsprechenden Fehlerstrom, z.B. 30 mA, erzeugt.

Eine solche Überprüfung führt bei ordnungsgemäßem Auslösen des Fehlerstromschutzschalters zu einer Abschaltung sämtlicher angeschlossener Verbraucher. Da an vielen Stromkreisen mit Steckvorrichtungen bis 16 A Nennstrom sensible Geräte betrieben werden, ist es bei Anwendungen, in denen ein ununterbrochener Betrieb erforderlich ist, nicht möglich, diese Funktionsprüfung durchzuführen, da sie zur Abschaltung dieser Geräte führen würde. Besonders problematisch ist dies in Anlagen mit hohem IT-Geräteanteil und sensiblen IT-Anwendungen, wie z.B. in Kraftwerken, Umspannwerken, Serverräumen etc. Selbst in normalen Haushalten bewirkt die herkömmliche Funktionsprüfung des Fehlerstromschutzschalters, dass an vielen Endgeräten mit Zeitanzeige, z.B. einem E-Herd, Recorder, Radiowecker usw. nach der Auslösung des Fehlerstromschutzschalters die Zeit neu eingestellt werden muss.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, die vorgeschriebene bzw. gewünschte Überprüfung des Fehlerstromschutzschalters durchführen zu können, ohne dass sich die oben genannten ungewollten Betriebsunterbrechungen mit ihren Folgeerscheinungen ergeben.

Diese Aufgabe wird mit einem Fehlerstromschutzschalter der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß zur vorübergehenden Überbrückung der Kontaktstrecken des ersten mehrpoligen Schalters mit Überbrückungszweigen ein dritter mehrpoliger Schalter vorgesehen ist, der in Richtung seiner Öffnungsstellung federbelastet und nicht feststellbar ist, und eine Verriegelung vorgesehen ist, welche bei ausgelöstem ersten Schalter eine Betätigung des dritten mehrpoligen Schalters verhindert

Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der dritte mehrpolige Schalter als unterbrechungsfreier Umschalter ausgebildet ist, dessen Umschaltkontakte zwischen dem Summenstromwandler und den netzseitig gelegenen Kontakten des ersten mehrpoligen Schalters angeordnet sind und mit deren Hilfe jeder der Kontakte des ersten Schalters vorübergehend durch einen Überbrückungszweig überbrückt werden kann. Eine solche Variante kann kompakt gehalten werden und eignet sich für einen Einsatz in neuen Fehlerstromschutzschaltem. P10739 ·· • · · • · • · ·· # • • • ·· ·· • ·· * · • • · • • · • ···· • • · • • • • · · ··· ··

Falls die Überbrückungszweige je eine Wicklung eines Symmetriertransformators enthalten, kann die Erfindung besonders gut zum nachrüsten bestehender Schutzschalter eingesetzt werden.

Dabei ist es in der Praxis zweckmäßig, wenn der Symmetriertransformator ein Stromwandler ist bzw. wenn bei zwei zu überwachenden Leitungen in einem ersten Überbrückungszweig die Primärwicklung eines ersten Stromwandlers und in einem zweiten Überbrückungszweig die Primärwicklung eines zweiten Stromwandlers gelegen ist und die Sekundärwicklungen beider Stromwandler miteinander verbunden sind. Im letztgenannten Fall .. W*·*, kann ein Überspannungsschutz einfach dadurch erhalten werden,fparailel zu den Sekundärwicklungen beider Stromwandler ein Überspannungsableiter geschaltet ist.

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Fehlerstromschutzschalters nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 das Prinzipschaltbild eines Fehlerstromschutzschalters nach der Erfindung,

Fig. 3 die Schaltung einer ersten praktischen Ausführungsform eines Fehlerstromschutzschalters nach der Erfindung,

Fig. 4 die Schaltung einer zweiten praktischen Ausführungsform eines Fehlerstromschutzschalters nach der Erfindung und

Fig. 5 eine Variante der Ausführung nach Fig. 4.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie ein Fehlerstromschutzschalter mit Hilfe eines 2-poligen Schalters S3 durch Überbrückungszweige ZI, ZN überbrückt werden kann, der in Richtung seiner Öffnungsstellung federbelastet und nicht feststellbar ist. Weiters ist eine Verriegelung vorgesehen, welche bei ausgelöstem ersten Schalter S1 ein Betätigen des dritten mehrpoligen Schalters S3 verhindert. Es muss nämlich sichergestellt sein, dass im Fehlerfall, vor allem, wenn das Auslösen des ersten Schalters durch einen Körperkontakt zustande gekommen ist, über den dritten Schalter S3 der Stromkreis, der eben erst getrennt wurde, nicht wieder mit Spannung versorgt wird. PI0739 • ·· ··· Φ · • ·· ·· ♦ ·· · · • · · • · * • ···♦ • · · • · • · 9 • •t . t «9 1 ** 1 • · • · • · ··

Mit RFi,Ll; RFi, N,*RP,L1 und RP,N sind die Kontaktwiderstände der Schalter des ersten bzw. dritten Schalters bezeichnet. Zunächst sollen die bei einem solchen Fehlerstromschutzschalter auftretenden Probleme samt deren Abhilfe untersucht werden.

Im Normalbetrieb ist der erste Schalter S1 geschlossen, und die Last L wird versorgt.

In einem ersten Schritt (Schritt 1) wird der dritte Schalter S3 geschlosseryum die Kontakte des ersten Schalters S1 zu tiberbrücken. In diesem Fall wird vorausgesetzt, dass alle Kontakte des dritten Schalters S3 gleichzeitig schließen.

Nim fließt der Laststrom teils über die Kontakte des dritten Schalters S3 und teils über die Kontakte des ersten Schalters S1 (Schritt 2).

Nach erfolgreichem Überbrticken der Kontakte des ersten Schalters S1 kann die Prüftaste, d.h. der zweite Schalter S1 betätigt werden, und der erste Schalter S1 muss wegen des auf tretenden Fehlstroms auslösen(Schritt 3). Dies ist im Allgemeinen optisch, durch den Fall des Schalters Sl, der ein Freischaltschaltschloss besitzt, ersichtlich gemacht.

Nach erfolgreicher Prüfung muss der erste Schalter Sl des Fehlerstromschutzschalter zurückgelegt, d.h. dessen Kontakte müssen wieder geschlossen werden(Schritt 4). .Sobald der erste Schalter Sl wieder geschlossen ist, d.h. der Fehlerstromschutzschalter eingeschaltet ist, können die Kontakte des dritten Schalters S3 wieder geöffnet werden und die Prüfung ist beendet(Schritt 5).

Ist im Schritt 1 die Differenzzeit zwischen dem Schließen der Kontakte des dritten Schalters S3 größer als die Reaktionszeit des Fehlerstromschutzschalters, so löst dieser sofort aus und der Stromkreis ist für die Differenzzeit unterbrochen.

Falls im Schritt 2 die Stromdifferenz über die beiden Kontakte des ersten Schalters Sl größer ist als der Fehlemennstrom, wtide der Schalter sofort auslösen. Dies wäre kein Problem, da die Last bereits über den Schalter S3 versorgt wird. Das Problem tritt im nächsten Schritt auf, da der ursprüngliche Zustand auf Grund des Differenzstroms nicht wieder hergestellt werden kann.

Falls der Differenzstrom im Fehlerstromschutzschalter zu groß war, so dass es in Schritt 2 zu einer Auslösung kam, kann der erste Schalter Sl nicht wieder eingelegt werden, da dieser P10739 ·· · β · ·· • · · • · · • · · ·· ··» ·♦ · ·· · ·· • · · · • ···· t « · · ··♦ _ · Μ· ·· ·· sofort wieder auslöst. Auch wenn kein Differenzstrom vorhanden ist, würden die unterschiedlichen Kontaktierungszeiten der Kontakte des zweiten Schalters S2 ebenfalls zu einer sofortigen Auslösung führen. Da der Fehlerstromschutzschalter mit einem Freischaltschloss ausgestattet ist bzw. sein muss, ist auch ein „Halten" des Schalters nicht möglich.

Insgesamt zeigt sich, dass die Überbrückung der Kontakte des ersten Schalters S1 durch den dritten Schalter S3 in der in Fig. 2 angegebenen Weise nur dann zielführend sein kann, wenn sehr schnelle Schalter eingesetzt werden und das Verhältnis der Kontaktwiderstände des ersten Schalters S1 im wesentlichem jenem der Kontaktwiderstände des dritten Schalters S3 entspricht. Tatsächlich sind diese beiden Forderungen allerdings in der Praxis nur schwer bzw. unter hohen Kosten realisierbar. Daher werden im Folgenden bevorzugte Varianten der Erfindung beschrieben, die bezüglich der Ausführung nach Fig. 2 verbessert sind.

Auch bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform eines Fehlerstromschutzschalters ist eine Funktionsprüfung ohne Unterbrechung des Stromkreises möglich. Durch Betätigen des Tastschalters S3 werden die Kontakte des ersten Schalters S1 durch die Überbrückungszweige ZI, ZN überbrückt, was dazu führt, dass der Auslösekreis des Summenstromwandlers geöffnet wird. Nun kann die Funktionsprüfung mittels des zweiten, Schalters S2, der ein Tastschalter ist, durchgeführt werden, ohne den Stromkreis zu unterbrechen. Nach erfolgreicher Prüfung muss der Fehlerstromschutzschalter mit Hilfe des ersten Schalters S1 wieder eingeschaltet und anschließend der Tasterschalter S3 wieder deaktiviert werden.

Die Verriegelung, welche bei ausgelöstem ersten Schalter S1 ein Betätigen des dritten mehrpoligen Schalters S3 verhindert, ist in Fig. 3 schematisch eingezeichnet und mit VG bezeichnet.

Da bei der Ausführung nach Fig. 3 der dritte Schalter S3 zwischen dem versorgenden Netz und dem Summenstromwandler liegt eignet sich diese Ausführung für einen kompakten, in einem einzigen Gehäuse einbaubaren Fehlerstromschutzschalter.

Demgegenüber sind die im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 beschriebenen Ausführungsvarianten, welchen der Gedanke der Symmetrierung der Ströme in den Überbrückungszweigen zu Grunde liegt besonders zum nachträglichen Aufrüsten bereits vorhandener, herkömmlicher Fehlerstromschutzschalter geeignet.

Fig. 4 zeigt die Verwendung eines Symmetriertransformators SW in der Überbrückung der Kontakte des ersten mehrpoligen Schalters Sl. Genauer gesagt enthalten die Überbrü- PI0739 • 9 • 9 9 • #9 • · 99 99 • 99 • 9 • # • • ♦ 9 * • φ • · • • 9999 • 9 9 • · • • • 9 • 9 9· 999 999 ♦ M· • 9 ckungszweige ZI, ZN je eine Wicklung des Symmetriertransformators SW, der als Stromwandler mit einem Übersetzungsverhältnis 1:1 ausgebildet ist. Wenn bei dem dritten Schalter S3 ein Kontakt vor dem anderen schließt, stellt sich an dem Wandler seiner Leerlauf-Kennlinie entsprechend nur ein sehr kleiner Strom ein. Die treibende Spannung an dem Wandler entspricht dem Spannungsabfall an dem Kontaktwiderstand des ersten Schalters Sl. Es lässt sich leicht berechnen, dass bei einem Kontaktwiderstand von z.B. 50 πιΩ und einem Laststrom von 16 A die genannte Spannung 0,8 V beträgt Abhängig von der Leerlaufkennlinie stellt sich dadurch ein Strom von lediglich einigen mA ein, der für sich nicht zu einer Auslösung des Fehlerstromschutzschalters führt.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform liegt bei zwei zu überwachenden Leitungen N, LI in einem ersten Überbrückungszweig ZI die Primärwicklung WP1 eines ersten Stromwandlers SW1 und in einem zweiten Überbrückungszweig Z2 die Primärwicklung WP2 eines zweiten Stromwandlers SW2, wobei die Sekundärwicklungen WS1, WS2 beider Stromwandler miteinander verbunden sind. Diese Ausführung bietet den zusätzlichen Vorteil, dass parallel zu den Sekundärwicklungen WS1, WS2 beider Stromwandler SW1, SW2 ein Überspannungsableiter UE geschaltet werden kann, um die Stromwandler zu schützen.

Es ist somit klar, dass bei den Ausbildungen nach den Fehlerstromschutzschalter Fig. 4 und 5 eine Funktionsprüfung ohne Unterbrechung des Laststromkreises möglich ist. Durch Betätigen des Tastschalters S3 werden die Kontakte des ersten mehrpoligen Schaltern Sl über den symmetrierten Nebenzweig ZI, ZN überbrückt, so dass der während dieses Vorgangs nicht auslöst. Nun kann die Funktionsprüfung mittels des Tastschalters S2 durchgeführt werden, ohne den Stromkreis zu unterbrechen. Nach erfolgreicher Prüfung muss der Fehlerstromschutzschalter mit Hilfe des Schalters Sl wieder eingeschaltet werden, und anschließend muss der Tastschalter S3 wieder deaktiviert werden.

Claims

-7- ANSPRÜCHE 1. Fehlerstrom-Schutzschalter mit einem Summen-Stromwandler (RK, W, SC) für zu überwachende Leitungen (LI, N), welche über die Kontakte eines mehrpoligen, ersten Schalters (Sl) geführt sind, wobei dieser Schalter in seiner Schließstellung von einem Schaltschloss ( ) gehalten ist, welches bei Überschreiten einer vorgegebenen Stromdifferenz in den Leitungen den Schalter im Sinne eines Öffnens seiner Kontakte auslöst, und mit einem zweiten, als Prüftaster ausgebildeten Schalter (S2), bei dessen Schließen ein definierter, zum Auslösen des Schalters hinreichender Fehlstrom in von einem Leiter abgezweigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur vorübergehenden Überbrückung der Kontaktstrecken des ersten mehrpoligen Schalters (Sl) mit Überbrückungszweigen (ZI, ZN) ein dritter mehrpoliger Schalter (S3) vorgesehen ist, der in Richtung seiner Öffnungsstellung federbelastet und nicht feststellbar ist, und eine Verriegelung (VG) vorgesehen ist, welche bei ausgelöstem ersten Schalter (Sl) eine Betätigung des dritten mehrpoligen Schalters (S3) verhindert.
2. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte mehrpolige Schalter (S3) als unterbrechungsfreier Umschalter ausgebildet ist, dessen Umschaltkontakte zwischen dem Summenstromwandler und den netzseitig gelegenen Kontakten des ersten mehrpoligen Schalters (Sl) angeordnet sind und mit deren Hilfe jeder der Kontakte des ersten Schalters vorübergehend durch einen Überbrückungszweig (ZI, ZN) überbrückt werden kann.
3. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückungszweige (ZI, ZN) je eine Wicklung eines Symmetriertransformators (SW; SW1, SW2) enthalten.
4. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Symmetriertransformator (SW; SW1, SW2) ein Stromwandler ist.
5. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei zu überwachenden Leitungen (LI, N) in einem ersten Überbrückungszweig (ZI) die Primär- ♦ • • • ·· ·· • ·· • · • • • · • • · • ··*· • • · ♦ 9 • • • · ·*· 8-* ·«· ·· P10739 • · • ♦ • · · • · ♦ φ· Wicklung (WP1) eines ersten Stromwandlers (SW1) und in einem zweiten Überbrückungszweig (ZN) die Primärwicklung (WP2) eines zweiten Stromwandlers (SW2) gelegen ist und die Sekundärwicklungen (WS1, WS2) beider Stromwandler (SW1, SW2) miteinander verbunden sind.
6. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Sekundärwicklungen (WS1, WS2) beider Stromwandler (SWl, SW2) ein Überspannungsableiter (UE) geschaltet ist. Wien, den 4. Oktober 2007