CH402138A - Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Anlagen - Google Patents

Description

  Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Anlagen    Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanord  nungen zum Schutz elektrischer Anlagen, bei denen  Fehlerströme mit Hilfe eines Differentialwandlers     er-          fasst    werden, d. h. eines Wandlers, der auf Abweichun  gen anspricht, bei denen die Summe der Ströme, die  zum Verbraucher hin und von ihm     zurückfliessen,    ver  schieden ist. Beim Auftreten von Fehlerströmen, ins  besondere wenn diese Ströme plötzlich in ihrer vollen  Grösse auftreten, ist es erforderlich, zum Schutz von  Mensch und Tier die     spannungführenden        Masseteile     möglichst schnell spannungslos zu machen.  



  Es sind bereits elektrische Schutzschalter mit einem  eine magnetisch     auslenkbare    Zunge aufweisenden Aus  löser zur Überwachung elektrischer Anlagen bekannt,  die ansprechen, wenn durch irgendwelche Mängel in  der Leiterisolierung Fehlerströme auftreten. Die Ab  schaltung der Anlage erfolgt dabei in der Weise, dass  eine schwingend ausgebildete Zunge des Auslösers auf  die     Verklinkung    des Schutzschalters einwirkt. Da zur  Steuerung Wechselstrom Verwendung findet,     schwingt     diese Zunge hin und her und speichert dabei ein be  achtliches Arbeitsvermögen.

   Wesentlich hierbei ist,  dass die Zunge bei plötzlich auftretendem Fehlerstrom  erst einige freie Schwingungen ausführt, bevor sie das       Auslöseglied    betätigt  Derartige magnetische Anordnungen ohne Nach  verstärkung mittels üblicher     Verstärkeranordnungen     besitzen eine zu geringe     Ansprechempfindlichkeit    und       Ansprechgeschwindigkeit,    da die Schaltkraft etwa  quadratisch mit dem sekundärseitig vom Wandler ge  lieferten Strom zu- oder abnimmt, und sowohl Massen  beschleunigung als auch hohe     Induktivität    der Erreger  spule sich nachteilig auswirken. Weiter sind bereits  Schutzrelais mit z.

   B. elektrodynamischen Auslöse-         systemen    bekannt geworden, deren bewegliche Teile  auf einer Mittellage bewegt werden können, wodurch  die Auslösung eines Schalters veranlasst wird. Der  artige Anordnungen haben jedoch den Nachteil, dass  der Wirkungsgrad verhältnismässig gering ist.  



  Gemäss der     Erfindung    werden die vorgenannten       Nachteile    dadurch beseitigt, dass der dem     Differential-          wandler    entnommene Fehlerstrom einem elektrodyna  mischen     Tauchspulsystem    zugeführt wird. Unter einem  derartigen elektrodynamischen     Tauchspulsystem    wird       dazei    z. B. ein solches System verstanden, bei dem ein  stromdurchflossener Leiter als     Auslöseorgan    eine Be  wegung ausführt, insbesondere ein     Tauchspulsystem     nach Art eines Lautsprechersystems.  



  Ein elektrodynamisches     Tauchspulsystem    hat eine  wesentlich grössere     Ansprechgeschwindigkeit    als be  kannte Anordnungen, da es mit .geringerer     Induktivität     und kleinerer Masse aufgebaut werden kann. Beispiels  weise benötigen die bekannten magnetischen Schal  tungsanordnungen zum Abschalten der Anlage bei vol  ler Höhe des auftretenden Fehlerstromes etwa 0,1 sec.  Dies entspricht bei einer     Netzfrequenz    von 50 Hz 5 Pe  rioden.

   Wird     ein    dynamisches     Tauchspulsystem    ver  wendet, so lassen sich für     Wechselstromschaltungen          Auslösezeiten    von weniger als 0,01 sec. erzielen, was       maximal        einer    halben Periode entspricht. Hat der  Fehlerstrom hierbei das richtige     Vorzeichen,    so erfolgt  ein Ansprechen also bereits nach einer     halben    Periode;  bei umgekehrten Vorzeichen steigt die     Auslösezeit    auf  0,02 sec, also eine     Pediode    an.

   Um innerhalb     einer    hal  ben Periode bei vollem Fehlerstrom den Schutzschalter  stets zur Auslösung zu bringen,     kann    das dynamische       Tauchspulsystem    z. B. über einen     Doppelweg-Gleich-          richter    an den     Fehlerstromwandler    angeschlossen wer-      den, wodurch unabhängig von der Phasenlage des er  regenden Fehlerstromes die     Auslenkung    bei jeder Halb  welle in der     Auslöserichtung    erfolgen kann.  



  Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemässen  Anordnung gegenüber dem Bekannten besteht also  darin,     dass    sie ermöglicht, die     Beziehung    zwischen  Strom und     auslenkender    Kraft bei dem elektrodynami  schen     Tauchspulsystem    linear zu machen und die Aus  lösekraft somit bei abnehmendem Strom     wesentlich     weniger abnimmt, als dies bei bekannten Ausführungen  der Fall ist.

   Bei richtiger Dimensionierung von Spalt  feldstärke und     Windungszahl    und bei spezieller An  passung des dynamischen     Tauchspulsystems    in     Bezug     auf den Differentialwandler besitzt das     Tauchspul-          systems    in Bezug auf den Differentialwandler besitzt  das     Tauchspul-Auslösesystem    einen wesentlich besse  ren elektromechanischen Wirkungsgrad als bei bisher  bekannten Ausführungsformen.

   Hieraus ergibt sich,  dass bei der Zuführung der vom     Differentialwandler     abgegebenen Energie zum dynamischen     Tauchspul-          system    ohne Zwischenschaltung von     Verstärkerelemen-          ten    wie z. B. Transistoren,     Thyratrons        etc.    eine Ab  schaltung des     Fehlerstromschutzschalters    auch bei sehr  kleinen Fehlerströmen, z. B. kleiner als 0,3 A erzielbar  ist.  



  Abgesehen von der hohen     Ansprechgeschwindig-          keit    zeichnet sich ein Beispiel des Gegenstands der Er  findung durch seine Einfachheit im Aufbau und seine  Unempfindlichkeit hinsichtlich auftretender Störungen  gegenüber bekannten     Schutzschalteranordnungen    aus.  Letztere benötigen im allgemeinen zur Erzielung  niedrigerer     Auslösestromstärken    als z. B. 0,3 A Ver  stärkungen zwischen Wandler und     Auslöseorgan.    Wer  den z.

   B.     Thyratrons    zur Verstärkung eingesetzt, so  treten häufig Störungen infolge     Nichtzündens    beim  Auftreten von vollen Fehlerströmen bzw. durch Selbst  zünden bei     kapazitiven    Schaltvorgängen im Netz auf.  Sehr häufig führt auch eine thermische Beanspruchung  zum Versagen des Schutzschalters.  



  Bei einer     Tauchspulanordnung    ist es in Bezug auf  die entsprechende Kraftwirkung nicht kritisch an wel  cher Stelle im Magnetfeld die Tauchspule liegt, solange  die Spule im homogenen Feld bleibt. Diese Tatsache ist  bei Schutzschaltern von Bedeutung, da bei diesen we  gen der empfindlichen     Auslösemechanismen    eine  Justierung erforderlich sein kann. Für eine derartige  Justierung wird daher die     Ansprechempfindlichkeit    im  Gegensatz zu bekannten Anordnungen nicht     beein-          flusst.     



  Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der  Zeichnung schematisch dargestellt, in der  Figur 1 eine Schaltung der erfindungsgemässen An  ordnung zeigt,  Figur 2 eine weitere Ausführung der     Auslöseanord-          nung,    insbesondere des     Tauchspulsystems    nach Figur  1 dargestellt.  



  Figur 3, 4, 5 in verschiedenen Skizzen verschiedene  Schaltungsanordnungen im Zusammenhang mit der  Erfindung zeigen, und    Figur 6 eine mechanische Gleichrichtung über ein  Hebelsystem zeigt.  



  In Figur 1 liegt der Schutzschalter 1 mit seinen  Phasen     RST    und dem     Mittelpunktleiter        Mp    im Zuge  der Leitung. Ein in dieser Leitung auftretender Fehler  strom wird über den     Differentialwandler    2 mit den  Anschlüssen 12, 13, 14 einer     Auslösespule    4 zugeführt,  die in den Spalt eines Magneten 3 eintaucht. Tritt in  der Anlage kein Fehlerstrom auf, so ist keine Ab  weichung zwischen den zum Verbraucher 20     hinflies-          senden    und von ihm zurückfliessenden Strömen vor  handen. Es entsteht dann kein Strom in der     Sekundar-          wicklung    des Differentialwandlers 2.

   Tritt dagegen ein  Fehlerstrom auf, z. B. durch einen Isolationsfehler am  Verbraucher 20, so tritt eine Abweichung zwischen den  zum Verbraucher hin und von ihm zurückfliessenden  Strömen auf. Diese Abweichung ergibt den Fehler  strom, der als Steuergrösse dem Differentialwandler 2  entnommen wird. Die mit der     Auslösespule    verbunde  ne Schubstange 5 steht über einen Hebelarm 6 mit der       Auslösesperre    7 des Schutzschalters 1 in Verbindung.  Die Schubstange 5 wird zusammen mit der Auslöse  spule 4 durch eine     Zentrierspinne    8 in ihrer Lage ge  halten und ist nur in axialer Richtung bewegbar. P  stellt eine Prüfvorrichtung dar, mit deren Hilfe die  Funktion des     Fehlerstrom-Schutzschalters    jederzeit  überprüft werden kann.  



  In Figur 2 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt,  bei der der mittlere Schenkel des Magneten 3 eine Boh  rung 10 aufweist, in die ein Stift 9, der die Verlänge  rung der Schubstange 5 darstellt, eingreift und in ihr  geführt wird. Auf dem     Auslösespulenkörper    der Aus  lösespule 4 ist ein Eisenring 11 angebracht, der an  stelle der Zentrierung 8 aus Figur 1 die Rückführung  in die Ruhelage gewährleistet. Der Eisenring 11 bildet  ein     Rückstellsystem    mit stabiler Anfangslage, dessen       Rücktellkraft    mit zunehmender     Auslenkung    abnimmt.  



  Durch den magnetischen Streufluss des dynami  schen     Tauchspulsystems    wird dieser Ring 11 angezo  gen und bewirkt damit die Ruhelage der     Auslösespule.     Hierbei erfährt der Anker gleichzeitig die grösste An  ziehungskraft durch den Streufluss des Systems. Bei  einer     Auslenkung    der     Auslösespule    durch einen Fehler  strom nimmt die Anziehungskraft auf den Ring schnell  mit der Entfernung ab.

   Die Fläche des Ringes wird  dabei so abgestimmt, dass in der Nähe des Maximums  der Hubbewegung der     Auslösespule    des     Tauchspul-          systems    eine geringe Anziehungskraft im Verhältnis  zur     auslenkenden    Kraft vorhanden ist. Praktisch steht  somit eine grosse     Auslösekraft    in dem Bereich, in dem  die     Auslösesperre    anspricht, zur Verfügung.  



  Figur 3 zeigt, wie vor ein System nach Figur 1       bezw.    Figur 2 ein Gleichrichter geschaltet ist, der un  abhängig von der Phasenlage die richtige Polarität  gewährleistet. Zur Einstellung der     Ansprechgrenze    ist  nach Figur 4 ein     Potentiometer    15 in Serie zur Aus  lösespule 4     bezw.    ein     Potentiometer    16 parallel zur       Auslösespule    geschaltet. Die     Potentiometer    sind von  aussen am Gehäuse einstellbar.

   So ist es möglich, eine  gewünschte grössere     Auslösestromstärke        einzustellen.         Für kleinere     Auslösestromstärken,    etwa 0,3 A, lassen  sich vorschriftsmässige     Erdungswiderstände    leicht er  zielen und unterliegen nur     geringen    Schwankungen.  Nur bei     Auslösestromstärken    bis 0,3 A ist ein sicherer  Brandschutz gewährleistet, da die Stromstärken im all  gemeinen nur Funken oder Lichtbögen verursachen,  deren Energie für eine Brandentwicklung nicht aus  reicht.  



  Figur 5 stellt eine     Gleichrichterschaltung    mit Mittel  abgriff 14 des     Differentialwandlers    2 dar. Entsprechend  ist eine Ausführung mit Brückenschaltung möglich.  



       In    Figur 6 ist eine Anordnung skizziert, bei der  zur Betätigung der     Auslösesperre    über ein Hebel  system 17, 18, 19 eine mechanische Gleichrichtung er  zielt wird.  



  Es ist auch möglich, die an sich bekannte Zentrier  vorrichtung zu verwenden, wie sie z. B. bei Laut  sprechersystemen verwendet wird. Durch Änderung  der beweglichen Masse und der Federung der Zen  trierung kann die mechanische Resonanz des elek  trodynamischen     Tauchspulsystems    auf Netzfrequenz  abgestimmt werden.  



  Um die Empfindlichkeit der Anordnung zu er  höhen,     kann    die     Auslösespule        bezw.    die Schubstange  und damit das zugehörige     Auslöseorgan    ferner eine  mechanische     Vorspannung    in Richtung der Auslöse  kraft erhalten, die jedoch kleiner als die     Auslösekraft     selbst ist.  



  Die Rückstellung der     Auslösespule    kann auch     in     der Weise erzielt werden, dass ein mechanisches  Schnappelement, wie es z. B. in Kipp- oder Schnapp  schaltern Verwendung findet, und das zwei stabile  Stellungen     einnehmen    kann, auf den     Auslösespulen-          körper    oder die Schubstange einwirkt. Eine der beiden  Stellungen legt dabei die Anfangslage fest.  



  Es sei noch erwähnt, dass bei einer Speisung mit  Wechselstrom eine     Ausl_enkung    der     Auslösespule    ent  gegen der     Auslöserichtung,    z. B. durch einen An  schlag, verhindert wird.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer An lagen, in denen Fehlerströme mittels eines Differen- tialwandlers erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Differentialwandler (2) entnommene Fehlerstrom einem elektrodynamischen Tauchspul- system (3, 4, 5, 6) zugeführt wird. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Anordnung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass der dem Differentialwandler (2) ent nommene Fehlerstrom der Auslösespule (4) des elek trodynamischen Tauchspulsystemes die auf die Aus lösesperre (7) eines Schutzschalters einwirkt und damit die Anlage abschaltet, zugeführt wird. 2. Anordnung nach Patentanspruch und Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöse spule (4) und eine mit der Auslösesperre (7) verbun dene Schubstange (5) durch eine Zentrierung (8) auf dem Kern des dynamischen Systems in axialer Rich tung geführt sind. 3. Anordnung nach Unteranspruch 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Zentrierung mittels einer Zen trierspinne vorgesehen ist. 4.

   Anordnung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass Mittel zur Änderung der beweg lichen Masse und der Federung der Zentrierung (8) vorgesehen sind, um die mechanische Resonanz des elektrodynamischen Tauchspulsystems (3, 4, 5, 6) auf Netzfrequenz abzustimmen. 5. Anordnung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zur Ehöhung der Empfindlichkeit der Anordnung die Auslösespule (4) bzw. die Schub stange (5) und damit das zugehörige Auslöseorgan (6) eine mechanische Vorspannung in Richtung einer Un terstützung der Auslösekraft besitzt.

   6. Anordntwg nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zur Zentrierung ein mit der Aus lösespule (4) verbundenes Glied (9) in einer im elek trodynamischen Tauchspulsystem vorgesehenen zen trischen Führung (10) in axialer Richtung verschieb bar gelagert ist. 7. Anordnung nach Patentanspruch, gekennzeich net durch ein Rückstellsystem mit stabiler Anfangs lage, dessen Rückstellkraft mit zunehmender Auslen- kung abnimmt. B.

   Anordnung nach Unteranspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, dass zur Fixierung der Anfangslage der Auslösespule (4) auf dem Auslösespulenkörper ein Anker (11) ausferromagnetischem Material angebracht ist. 9. Anordnung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zur Rückstellung der Auslösespule (4) in die Ruhelage auf dem Auslösespulenkörper ein mechanisches Schnappelement mit zwei stabilen Stel lungen, deren eine die Anfangslage darstellt, ange bracht ist. 10. Anordnung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Speisung des dynamischen Systems (3, 4, 5, 6) mit gleichgerichtetem Fehlerstrom erfolgt. 11.

   Anordnung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zur Einstellung verschiedener Aus- lösestromstä-rken Vor- oder Nebenwiderstände in den Stromkreis der Auslösespule gelegt sind. 12. Anordnung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zur Einstellung verschiedener Aus lösestromstärken Beeinflussungsmittel für den magne tischen Kreis. z. B. verstellbare Kurzschlussbügel, vor gesehen sind. 13. Anordnung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass bei Speisung des dynamischen Systems mit Wechselstrom eine mechanische Gleich richtung der positiven und negativen Auslenkung mit tels eines Hebelsystems (17, 18, 19) erfolgt. 14.

   Anordnung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass bei Speisung mit Wechselstrom eine Auslenkung der Auslösespule entgegen der Auslöse richtung, z. B. durch einen Anschlag, verhindert ist.