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.
Circuit arrangement for protecting electrical systems The invention relates to circuit arrangements for protecting electrical systems in which fault currents are detected with the aid of a differential converter, d. H. a converter that responds to deviations in which the sum of the currents that flow to and from the consumer is different. When fault currents occur, in particular when these currents suddenly occur in their full magnitude, it is necessary to de-energize the live mass parts as quickly as possible to protect people and animals.
There are already electrical circuit breakers with a magnetically deflectable tongue having from solver for monitoring electrical systems are known that respond when fault currents occur due to any defects in the conductor insulation. The system is switched off in such a way that an oscillating tongue of the release acts on the latching of the circuit breaker. Since alternating current is used for control, this tongue swings back and forth and stores a considerable amount of work.
What is essential here is that if a fault current suddenly occurs, the tongue first executes a few free oscillations before it actuates the release element delivered current increases or decreases, and both mass acceleration and high inductance of the exciter coil have a detrimental effect. Protection relays with z.
B. electrodynamic release systems have become known, the moving parts of which can be moved to a central position, causing a switch to be triggered. Such arrangements, however, have the disadvantage that the efficiency is relatively low.
According to the invention, the aforementioned disadvantages are eliminated in that the fault current taken from the differential converter is fed to an electrodynamic moving coil system. Under such an electrodynamic moving coil system, dazei z. B. understood such a system in which a current-carrying conductor executes a movement as a triggering device, in particular a moving coil system in the manner of a loudspeaker system.
An electrodynamic moving coil system has a much greater response speed than known arrangements, since it can be built with .geringerer inductance and smaller mass. For example, the known magnetic circuit arrangements require about 0.1 sec to shut down the system when the fault current is full. This corresponds to 5 periods at a mains frequency of 50 Hz.
If a dynamic moving coil system is used, release times of less than 0.01 seconds can be achieved for AC circuits, which corresponds to a maximum of half a period. If the fault current has the correct sign, it will respond after half a period; if the sign is reversed, the release time increases to 0.02 sec, i.e. one pediode.
To always bring the circuit breaker to trip within half a period at full fault current, the dynamic moving coil system z. B. can be connected to the residual current transformer via a full-wave rectifier, which means that the deflection can take place in the tripping direction at every half-wave, regardless of the phase position of the residual current.
The main advantage of the inventive arrangement over the known is that it enables the relationship between current and deflecting force in the electrodynamic moving coil system to be made linear and the triggering force thus decreases significantly less when the current decreases than in the known versions of the Case is.
With correct dimensioning of the gap field strength and number of turns and with special adaptation of the dynamic moving coil system with regard to the differential converter, the moving coil system has a significantly better electromechanical efficiency than in previously known embodiments.
This means that when the energy emitted by the differential converter is fed to the dynamic moving coil system without the interposition of amplifier elements such as B. transistors, thyratron, etc. a circuit from the residual current circuit breaker even with very small residual currents, z. B. less than 0.3 A can be achieved.
Apart from the high response speed, an example of the subject matter of the invention is distinguished by its simplicity in construction and its insensitivity to known circuit breaker arrangements with regard to disturbances that occur. The latter generally need to achieve lower tripping currents than z. B. 0.3 A Ver reinforcements between the converter and the trigger element. Who the z.
B. Thyratrons used for amplification, so often occur disturbances due to failure to ignite when full fault currents or self-ignite with capacitive switching operations in the network. Very often, thermal stress also leads to failure of the circuit breaker.
In the case of a moving coil arrangement, it is not critical with regard to the corresponding force effect where the moving coil is located in the magnetic field as long as the coil remains in the homogeneous field. This fact is important in the case of circuit breakers, as these may require adjustment because of the sensitive trigger mechanisms. In contrast to known arrangements, the response sensitivity is therefore not influenced for such an adjustment.
Embodiments of the invention are shown schematically in the drawing, in which FIG. 1 shows a circuit of the arrangement according to the invention, and FIG. 2 shows a further embodiment of the release arrangement, in particular the moving coil system according to FIG.
FIGS. 3, 4, 5 show different circuit arrangements in connection with the invention in different sketches, and FIG. 6 shows a mechanical rectification via a lever system.
In Figure 1, the circuit breaker 1 with its phases RST and the neutral point conductor Mp in the course of the line. A fault current occurring in this line is fed via the differential converter 2 with the connections 12, 13, 14 to a trip coil 4 which is immersed in the gap of a magnet 3. If no fault current occurs in the system, there is no discrepancy between the currents flowing to the consumer 20 and the currents flowing back from it. There is then no current in the secondary winding of the differential converter 2.
If, on the other hand, a fault current occurs, e.g. B. due to an insulation fault on consumer 20, there is a discrepancy between the currents flowing to and from the consumer. This deviation results in the fault current, which is taken from differential converter 2 as a control variable. The connected with the trip coil ne push rod 5 is via a lever arm 6 with the trip lock 7 of the circuit breaker 1 in connection. The push rod 5 is held together with the tripping coil 4 by a spider 8 ge in their position and is only movable in the axial direction. P represents a test device with the help of which the function of the residual current circuit breaker can be checked at any time.
In Figure 2, a similar arrangement is shown in which the middle leg of the magnet 3 has a Boh tion 10, in which a pin 9, which represents the extension of the push rod 5, engages and is guided in it. On the release coil body of the release coil 4, an iron ring 11 is attached, which ensures the return to the rest position in place of the centering 8 from Figure 1. The iron ring 11 forms a return system with a stable initial position, the return force of which decreases with increasing deflection.
Due to the magnetic leakage flux of the dynamic moving coil system, this ring 11 is attracted and thus causes the trip coil to be in the rest position. At the same time, the anchor experiences the greatest force of attraction due to the leakage flux of the system. If the trip coil is deflected by a fault current, the force of attraction on the ring decreases rapidly with distance.
The surface of the ring is coordinated so that near the maximum of the stroke movement of the tripping coil of the moving coil system there is a low attraction force in relation to the deflecting force. In practice, a large release force is thus available in the area in which the release lock responds.
Figure 3 shows how before a system according to Figure 1 respectively. Figure 2, a rectifier is connected, which ensures the correct polarity regardless of the phase position. To set the response limit, a potentiometer 15 is in series with the release coil 4 respectively according to FIG. a potentiometer 16 connected in parallel to the trip coil. The potentiometers can be adjusted from the outside of the housing.
It is thus possible to set a desired greater tripping current. For lower tripping currents, about 0.3 A, it is easy to achieve correct earthing resistances and are subject to only minor fluctuations. Reliable fire protection is only guaranteed with tripping currents of up to 0.3 A, as the currents generally only cause sparks or arcs, the energy of which is insufficient for a fire to develop.
FIG. 5 shows a rectifier circuit with center tap 14 of the differential converter 2. An embodiment with a bridge circuit is accordingly possible.
In Figure 6, an arrangement is sketched in which to actuate the release lock via a lever system 17, 18, 19 a mechanical rectification he is aimed.
It is also possible to use the known centering device as it is, for. B. is used in loudspeaker systems. By changing the moving mass and the suspension of the centering, the mechanical resonance of the electrodynamic moving coil system can be matched to the mains frequency.
In order to increase the sensitivity of the arrangement, the trip coil can BEZW. the push rod and thus the associated trigger member also receive a mechanical bias in the direction of the triggering force, which, however, is smaller than the triggering force itself.
The reset of the trip coil can also be achieved in such a way that a mechanical snap element, as it is, for. B. in toggle or snap switches is used, and can take two stable positions, acts on the tripping coil body or the push rod. One of the two positions defines the starting position.
It should also be mentioned that when supplied with alternating current, a deflection of the trip coil ent against the tripping direction, e.g. B. by a stop, is prevented.