CH645758A5 - Fehlerstromschutzschalter. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Fehlerstromschutzschaltung war ursprünglich vorgesehen, um Anlagen, die mit Wechselspannung betrieben werden, gegen Isolationsfehler zu schützen. Bei dem damaligen Stand der Technik war in diesen Anlagen bei Auftreten eines Isolationsfehlers nur mit reinen Wechselstromfehlerströmen zu rechnen, abgesehen von wenigen Sonderfällen, wie zum Beispiel beim Schutz von Anlagen, in denen der kathodische Korrosionsschutz angewendet wurde, oder im Bahnbetrieb, also in Fällen, in denen damit gerechnet werden musste, dass reine Gleichströme über den Fehlerstromschutzschalter flies-sen könnten.

In den letzten Jahren hat sich nun die Lage insoweit geändert, als durch den Einsatz von Halbleiterbauelementen für elektronische Steuerungen mehr und mehr Betriebsmittel in Verwendung kommen, die im Fehlerfall Fehlerströme mit Gleichstromkomponenten erzeugen und damit die Funktion der derzeit auf dem Markt befindlichen Fehlerstromschutzschalter stören können. Unfälle sind deshalb zwar noch nicht berichtet worden, weil das Zusammentreffen der dafür notwendigen Voraussetzungen sehr unwahrscheinlich ist, aber die Technik der Fehlerstromschutzschaltung muss trotzdem den veränderten Bedingungen in den elektrischen Anlagen Rechnung tragen und Fehlerstromschutzschalter entwickeln, die auch bei Gleichstromfehlerströmen auslösen.

Prüft man die Fehlermöglichkeiten bei elektronisch gesteuerten Betriebsmitteln, so findet man, dass meist Fehlerströme zum Fliessen kommen, die die Form pulsierender Halbwellenströme haben. Allerdings kann bei Einweggleichrichtungen mit Glättungskondensatoren und bei Drehstromgleichrichtungen im Fehlerfall auch ein geglätteter Gleichstrom zum Fliessen kommen. Eine eingehendere Prüfung der Fehlermöglichkeiten zeigt aber, dass dieser Gleichstromfehlerstrom immer plötzlich auftritt, so dass also nicht mit langsam ansteigenden Gleichstromfehlerströmen gerechnet werden muss. Damit kann das altbewährte Prinzip des Summen-stromwandlers beibehalten werden.

Bei bekannten Fehlerstromschutzschaltern ist die Betriebssicherheit unzureichend, weil durch einen Fehlerstrom mit Gleichstromanteil der Summenstromwandler vor-magnetisiert wird. Dadurch wird die durch den Wechselstromanteil bedingte Flussänderung verringert und kann so klein werden, dass in der Sekundärwicklung die induzierte Spannung nicht mehr ausreicht, um den Fehlerstromauslöser zum Ansprechen zu bringen. Schon in der DE-PS 716 585. wurde versucht, allerdings bei reiner Wechselstrommagnetisierung, die Auslöseempfindlichkeit von Fehlerstromschutzschaltern zu steigern, indem zwischen die Sekundärwicklung des Summenstromwandlers und die Erregerwicklung des Fehlerstromauslösers ein Kondensator geschaltet wurde. Der dadurch gebildete Schwingkreis war auf die Betriebsfrequenz des überwachten Stromkreises abzustimmen.

Die gleiche Schaltung wird in der AT-PS 318 052 beschrieben, wobei jedoch pulsierende Gleichstromfehlerströme dadurch erfasst werden sollen, dass der Schwingkreis auf die Frequenz der Spannung abgestimmt ist, die in der Sekundärwicklung von einem in den Primärwicklungen des Summenstromwandlers fliessenden pulsierenden Gleichstromfehlerstrom induziert wird. Dies ist jedoch aus folgenden Gründen unbefriedigend: Während gemäss der DE-PS 716 585 die Netzfrequenz eindeutig gegeben und die Abstimmung des Schwingkreises daher ohne weiteres möglich ist, besteht die Sekundärspannung bei Erregung des Summenstromwandlers mit pulsierenden Gleichströmen aus einer ganzen Reihe von Frequenzen, wie man leicht durch Zerlegung nach der Fourierreihe feststellen kann. Der Schwingkreis gemäss AT-PS 318 052 kann aber nur auf eine Frequenz abgestimmt werden. Ausserdem hängt die optimale Einstellung bei der Auslösung mit pulsierenden Gleichströmen nicht nur vom Resonanzfall im Schwingkreis bei einer bestimmten Frequenz ab, sondern auch von der mechanischen Konstruktion des Fehlerstromauslösers, insbesondere von der Massenträgheit seines Auslöseankers. Die Wirkung des Sekundärstromes auf die Erregerwicklung muss nämlich möglichst in jeder Halbperiode lange genug anhalten, um je nach dem Auslöserprinzip ein Anheben oder Anziehen des Auslöseankers zu ermöglichen.

Eine gänzlich andere Aufgabenstellung liegt bei der DE-AS 2 336 260 vor, die eine Tertiärwicklung beim Summenstromwandler benützt. An diese Tertiärwicklung werden jedoch zwei einander entgegenwirkende Dioden und gegebenenfalls ein R-C-Glied angeschlossen, wodurch ein Fehlauslösen infolge kurzzeitiger kapazitiver Ladeströme vermieden werden soll, die als Fehlerströme beim Schalten von Stromkreisen, deren Kapazität gegen Erde gross ist, auftreten können.

In der DE-AS 2 811 064 wird schliesslich ein Fehlerstromschutzschalter beschrieben, der ebenfalls einen Summenstromwandler mit Tertiärwicklung besitzt, die an einen Kondensator angeschlossen ist. Dadurch soll ungefähr bei Netzfrequenz die Induktivität der Wicklungen und des Auslösers annähernd kompensiert werden. Die Tertiärwicklung weist dabei eine Windungszahl auf, die mindestens das Zehnfache der Windungszahl der Sekundärwicklung beträgt. Dadurch wird zwar erreicht, dass eine kleine Kapazität für den Kompensationskondensator verwendet werden kann, ohne dass die Windungszahl des Fehlerstromauslösers zu hoch gewählt werden muss, andererseits wird aber durch die geforderte, relativ hohe Windungszahl der Tertiärwicklung die Spannung am Kondensator unnötig hoch. Fehlerströme können ja auch als Kurzschluss-Erdfehlerströme auftreten, und die in diesem Fall in der Tertiärwicklung auftretenden hohen Spannungsspitzen gefährden den Kondensator.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Fehlerstromschutzschalters der eingangs genannten Art, um die Nachteile bekannter Ausführungen zu vermeiden und um insbesondere die Betriebssicherheit bei pulsierenden Gleich5

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stromfehlerströmen und bei plötzlich auftretenden, geglätteten Gleichströmen unabhängig von deren Richtung zu erhöhen. Dabei ist die Netzspannungsunabhängigkeit anzustreben, weil nur dadurch die notwendige Betriebssicherheit und Lebensdauer des Fehlerstromschutzschalters erreicht werden 5 kann. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierten Massnahmen gelöst.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Fehlerstromschutzschalters ist im Patentanspruch 2 umschrieben.

Bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegen- 10 stands werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, dabei zeigen schematisch :

Fig. 1 einen Fehlerstromschutzschalter; und Fig. 2 einen zweiten Fehlerstromschutzschalter ausschnittsweise. 15

Vor dem Eingehen auf die Figuren sollen einige grundsätzliche Überlegungen vorausgeschickt werden.

Aus Gründen der Lebensdauer des Kondensators und damit der Zuverlässigkeit der Funktion des Fehlerstromschutzschalters auch über lange Zeiträume hinweg ist anzu- 20 streben, die am Kondensator auftretenden Spannungen möglichst klein zu halten. Dies ist umso leichter möglich, als die moderne Kondensatortechnik es ohne weiteres ermöglicht,

auch hohe Kapazitätswerte bei kleinen Abmessungen und Preisen zu realisieren. Die optimale Dimensionierung für die 25 Tertiärwicklung besteht also darin, bei nicht zu grossem Übersetzungsverhältnis gegenüber der Sekundärwicklung eine ausreichende Kompensationswirkung des verwendeten Kondensators zu erreichen. Dabei ist zu beachten, dass die Kapazität des an die Tertiärwicklung angeschlossenen und 30 für die Kompensation notwendigen Kondensators umgekehrt proportional dem Quadrat der Windungsanzahl ist. Besitzt daher die Tertiärwicklung eine Windungszahl, die das Drei-bis Neunfache der Windungsanzahl der Sekundärwicklung beträgt, dann sinkt die erforderliche Kapazität schon auf ein 35 Neuntel bis ein Achtzigstel des Wertes, der notwendig ist,

wenn der Kondensator direkt an die Sekundärwicklung angeschlossen wird.

Wie bereits erwähnt, sollte man aber wegen der Lebensdauer der Kondensatoren die Betriebsspannung, die an der 40 Tertiärwicklung auftritt, sicher nicht so hoch wählen, dass der zehnfache Spannungswert der Betriebsspannung der Sekundärwicklung erreicht wird. Dies ist auch schon deshalb günstig, weil sonst Kondensatoren mit hoher Nennspannung gewählt werden müssen, die grössere Abmessungen haben und aufwendiger sind. Die Windungsanzahl der Sekundärwicklung ist durch die Anpassung an die Erregerwicklung des Fehlerstromauslösers bestimmt. Hier ist zu beachten, dass, wie bereits erwähnt, die Schalter auch beim plötzlichen Auftreten von geglättetem Gleichstrom unabhängig von der Stromrichtung auslösen sollen. Dies erreicht man mit Auslösern, die für den Erregerfluss einen luftspaltlosen Erregerkreis besitzen. Die Erregerwicklung muss allerdings dann von Hand aus aufgebracht werden und besitzt daher weniger als hundert Windungen. Wegen der bereits erwähnten Anpassung muss dann die Sekundärwicklung mit einer noch kleineren Windungsanzahl ausgeführt werden, oft ist sie sogar nur mit einer Durchsteckwindung ausgeführt. Aus den obigen Gründen muss daher die Tertiärwicklung eine Windungsanzahl haben, die das Drei- bis Neunfache der Windungsanzahl der Sekundärwicklung beträgt.

Der Fehlerstromschutzschalter der Fig. 1 besitzt ein Schaltschloss I, das durch einen Fehlerstromauslöser 2 entklinkt wird. Der Fehlerstromauslöser 2 besitzt einen luftspaltlosen Erregerkreis, wobei der Erregerfluss durch die Erregerwicklung 3 des Fehlerstromauslösers 2 entsteht. Diese Wicklung 3 liegt parallel zur Sekundärwicklung 9 eines Summenstromwandlers 7, dessen Primärwicklungen 8 vom Betriebsstrom der Anlage durchflössen werden, die geschützt werden soll. Das Schaltschloss 1 betätigt einen Kontaktapparat 4, der die gefährdete Anlage vom Netz trennt. Auf dem Summenstromwandler 7 ist noch eine separate Tertiärwicklung 10 angebracht, die mit einem Kompensationskondensator 11 in Reihe liegt. Im Falle der Fig. 1 ist letzterer an die beiden Wicklungsenden der Tertiärwicklung 10 angeschlossen. Der Fehlerstromschutzschalter besitzt dann noch einen üblichen Prüfstromkreis 5, Anschlussklemmen 6 und ein nicht dargestelltes Gehäuse.

Bei dem zweiten Fehlerstromschutzschalter der Fig. 2 sind die Sekundärwicklung 9' und die Tertiärwicklung 10' als induktiver Spannungsteiler in Form einer Wicklung mit einer Anzapfung ausgeführt. Die Erregerwicklung 3 ist mit dieser Anzapfung und dem benachbarten Wicklungsende, der Kompensationskondensator 11 mit den beiden Wicklungsenden des Spannungsteilers verbunden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

645 758 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Fehlerstromschutzschalter mit einem Schaltschloss (1), einem Fehlerstromauslöser (2) einschliesslich einer Erregerwicklung (3), einem Kontaktapparat (4), einer Prüfeinrichtung (5), Anschlussklemmen (6), einem Summenstromwand-ler (7) einschliesslich von mindestens einer Primärwicklung (8) und einer Sekundärwicklung (9,9'), sowie mit einem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerstromauslöser (2) einen luftspaltlosen Erregerkreis aufweist, dass die Erregerwicklung (3) eine Windungsanzahl unter hundert Windungen hat und dass der Summenstromwandler (7) zusätzlich eine Tertiärwicklung (10,10') aufweist, die zur Erhöhung der Auslöseempfindlichkeit des Fehlerstromschutzschalters bei pulsierenden Gleichstromfehlerströmen mit einem Kompensationskondensator (11) in Reihe geschaltet ist, wobei die Tertiärwicklung (10,10') eine Windungsanzahl hat, die das Drei-bis Neunfache der Windungsanzahl der Sekundärwicklung (9,9') beträgt.

2. Fehlerstromschutzschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (9') und die Tertiärwicklung (10') als induktiver Spannungsteiler in Form einer Wicklung mit einer Anzapfung für den Anschluss der Erregerwicklung (3) des Fehlerstromauslösers (2) ausgebildet sind (Fig. 2).