DE10128311C2 - Vorrichtung zum Erfassen von elektrischen Differenzströmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von elektrischen Differenzströmen, insbesondere von Mischströmen aus glattem Gleichstrom und Wechselströmen, umfassend wenigstens zwei Leiter für zu überwachende Lastströme und umfassend zumindestens einen magnetischen Stromwandler, durch den die Leiter geführt sind, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 35 31 023 A zu entnehmen.

Vorrichtungen zum Erfassen von Differenzströmen mit einem Frequenzspektrum bis hinab zu 0 Hz sind insbesondere als allstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtungen ausgebil­ det, welche die Differenz zwischen in eine elektrische Anlage fließenden Ströme ermitteln.

Differenzstrom-Schutzeinrichtungen werden zum Beispiel zum Schutz elektrischer Anlagen eingesetzt, indem sie die vektorielle Summe der in die Anlage hineinfließenden Ströme, den Differenzstrom, erfassen und, falls dieser einen Grenzwert überschreitet, eine Trennung der Anlage vom Versorgungsnetz bewirken. Durch Frequenzumrichter können in elektrischen Anlagen durch Abfluss zur Erde Differenzströme im Frequenzbereich von 0 Hz bis über 20 kHz entstehen, die nur von allstromsensitiven Differenzstrom-Schutzeinrichtungen erfaßt werden können.

Bei der breitbandigen Erfassung von Strömen mit Frequenzen bis hinab zu 0 Hz mit magnetischen Stromwandlern ist die Anwendung des direkten Induktionsprinzipes nicht möglich, da die für das Induktionsprinzip notwendige zeitliche Änderung des Stromes nicht gegeben ist. Um mit magnetischen Wandlern einen glatten Gleichstrom erfassen zu können, werden regelmäßig Verfahren angewendet, bei denen der durch den zu erfassenden Strom I_Δ im Wandlerkern hervorgerufene Magnetisierungszustand durch Überlagerung mit einem sich ändernden Magnetfeld in bestimmten Zeitabständen oder auch fortlaufend ermittelt wird.

So ist aus der DE 35 43 985 A1 ein Verfahren üblich, bei dem ein zeitlich veränderlicher, mit einer bestimmten Hilfsfrequenz periodisch verlaufender Trägerstrom I_a mit einer Trägerfrequenz f_a über eine Hilfswicklung im Wandlerkern einen sich entsprechend verändernden magnetischen Fluß erzeugt, der in derselben oder auch einer weiteren Wicklung eine Trägerspannung U_a induziert. Der zu erfassende Strom I_Δ mit beliebigem zeitlichen Verlauf erzeugt im Wandlerkern gleichfalls eine magnetische Feldstärke, die sich der Feldstärke der Hilfsschwingung überlagert. Infolge dieser Modulation an der Krümmung der Magnetisierungskennlinie des Wandlerwerkstoffes erscheint der zeitliche Verlauf des Stromes I_Δ dann als Hüllkurve der Trägerspannung U_a. Diese läßt sich durch ein geeignetes Demodulationsverfahren wieder rekonstruieren.

Aus der DE 198 26 410 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Wandler in geeigneter Weise als frequenzbestimmendes, rückkoppelndes Bauelement in einer Multivibratorschaltung eine Trägerspannung U_a erzeugt. Wird der Wandler einer solchen Anordnung zusätzlich durch einen zu erfassenden Strom I_Δ magnetisiert, moduliert er das Pulsweitenverhältnis der Trägerspannung entsprechend seinem zeitlichen Verlauf.

Diesen bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß der zu erfassende Strom I_Δ über die gekrümmte Magnetisierungskennlinie, d. h. über die von der Feldstärke abhängige Permeabilität des Wandlers dessen Wechselstrominduktivität steuert (Prinzip der gesteuerten Induktivität) und so die Trägerspannung U_a moduliert (Modulation an einer nichtlinearen Kennlinie). Darüber hinaus ist diesen Verfahren gemeinsam, daß die Modulation der Trägerspannung U_a und des Stromes I_Δ im Wandler erfolgt und somit der magnetische Stromwandler der Modulator ist.

Der Stromwandler, welcher nach obigem Modulationsprinzip mit einem Trägersignal oder Abtastsignal der endlichen Frequenz f_a beaufschlagt bzw. durchflutet wird, erfaßt somit ungefiltert das Stromfrequenzspektrum des zu messenden elektrischen Stromes I_Δ.

Prinzipbedingt ist eine obere Frequenzbandbegrenzung des Differenzstromspektrums auf einfache Weise nicht möglich.

Eine Modulation stellt immer eine Abtastung eines Signals mit Hilfe eines höherfrequenten Abtastsignals dar. Nach Tietze, Schenk, "Halbleiterschaltungstechnik", 10. Auflage, S. 792 ff, gilt nach dem Abtasttheorem von Shannon, daß die Abtast- bzw. Trägerfrequenz f_a zumindestens doppelt so groß sein muß, wie die größtmögliche zu erwartende Nutz- bzw. Meßfrequenz f_mmax eines Meßsignals. Somit darf zur verzerrungsfreien und signalgetreuen Reproduktion des Meßsignals bei den oben genannten Meßverfahren bedingt durch eine endliche Abtast- bzw. Trägerfrequenz nur ein im Frequenzbereich begrenztes Frequenzstromspektrum, insbesondere Differenz- oder Fehlerstromspektrum, erfaßt werden.

Wird bei einer Abtastung die Bedingung f_m < ½f_a nicht eingehalten, so entstehen Spektralanteile mit der Spiegelfrequenz f_sp = f_a - f_m in das Nutzband hinein. Ist im eigentlichen Nutzband ein Signal f_m mit derselben Frequenz wie die Spiegelfrequenz f_sp vorhanden, kommt es auf nachteilige Weise zu Veränderungen des Signals f_m.

Im Stand der Technik nach Tietze, Schenk ist vorgeschlagen worden, in der Signalbearbeitungsfolge vor der Modulation oder Abtastung das Frequenzspektrum des Meßsignals mit Hilfe von steilflankigen Tiefpaßfiltern höherer Ordnung auf eine Frequenz f_mmax < ½f_a zu begrenzen. Dadurch soll verhindert werden, daß Spektralanteile oberhalb von ½f_a den Modulator durchlaufen.

Wie weiter oben bereits angeführt, ist jedoch prinzipbedingt eine obere Begrenzung des Frequenzspektrums eines Differenzstromes nicht möglich. Da der zu erfassende Differenzstrom I_Δ somit unmittelbar auf den Modulator in Form des Wandlers einwirkt, entstehen in ihm die oben angegebenen Spiegelfrequenzen f_sp, die aus dem zu demodulisierenden Signal nicht mehr zu entfernen sind, so daß unter Umständen Differenzströme im zu erfassenden Frequenzbereich unterhalb von ½f_a aufgrund phasengleicher oder gegenphasiger Überlagerung überempfindlich oder stark abgeschwächt erfaßt werden. Die Folge wäre ein vorzeitiges Ansprechen z. B. einer mit der Vorrichtung in Wirkverbindung stehenden Schutzeinrichtung, wie ein Trenn-Relais, unterhalb der gewünschten Differenzstromschwelle oder im negativen Fall ein Ausbleiben eines erforderlichen Ansprechens der Schutzeinrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung aufzuzeigen, mit der ein Erfassen eines nach oben begrenzten Differenzstromspektrums frei von störenden Frequenzanteilen ermöglicht ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in dem zweiten Stromwandler das gleiche Differenzstromspektrum erfaßt wie in dem ersten Stromwandler. Aufgrund der Verschaltung beider Stromwandler und einer geeigneten Dimensionierung der Stromwandler wirkt der zweite Stromwandler als Stromquelle für den ersten Stromwandler und überträgt auf einen elektrischen Leitungsweg zunächst signalgetreu und unverzerrt das erfaßte Differenzstromspektrum auf den ersten Stromwandler. Der zweite Stromwandler weist eine wesentlich höhere Induktivität als der erste Stromwandler auf, so daß er als Stromquelle wirkt.

Während dieser Übertragung durchläuft das Differenzstromspektrum das im Leitungsweg zwischen beiden Wandlern angeordnete Koppelglied. Das Koppelglied ist derart ausgebildet, daß eine Phasendrehung des über den Leitungsweg geführten Stromes und somit eine Phasendrehung des erfaßten Differenzstromspektrums erfolgt. Nach Passieren des Koppelgliedes wird das somit phasengedrehte Differenzstromspektrum des zweiten Stromwandlers auf den ersten Stromwandler gegengekoppelt.

Durch die Ausbildung des Koppelgliedes als Hochpaß ist dabei gewährleistet, daß nur Differenzstromspektralanteile oberhalb einer bestimmten unteren Grenzfrequenz f_gu auf den ersten Stromwandler gegengekoppelt werden. Die Differenzstromspektralanteile im relevanten Meßbereich unterhalb dieser Grenzfrequenz f_gu werden vom ersten Stromwandler unverändert erfaßt, so daß vorteilhaft keine Verzerrung des Meßergebnisses eintritt.

Durch diese Gegenkopplung im Frequenzbereich oberhalb der Frequenz f_gu wird in Echtzeit vorteilhaft eine Auslöschung von störenden Differenzstromspektralanteilen erreicht. Diese Spektralanteile stehen sich mit gleicher Amplitude, aber um 180° versetzter Phase, gegenüber, so daß eine Reduzierung der Amplitude gegen 0 erfolgt.

Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hochpaß eine definierte untere Grenzfrequenz f_gu aufweist, die einen Auslösestromfrequenzverlauf gemäß dem Personenschutzgrenzwert nach IEC-Report 479 (Herzkammerflimmergrenze) ermöglicht. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Messung des elektrischen Stromes und eine sichere Auslösung einer Schutzeinrichtung unterhalb dieser Grenzfrequenz frei von dem Einfluß höherfrequenter Störspektralanteile erfolgen.

Die Träger- bzw. Abtastfrequenz f_a der Wandler kann wesentlich größer als die untere Grenzfrequenz f_gu des Hochpaß sein. In diesem Fall reicht bereits eine Filterfunktion erster Ordnung aus, um sicherzustellen, daß bei den noch entstehenden Differenzfrequenzen die Amplitude so gering ist, daß eine Beeinflussung des eigentlichen Meßspektrums vernachlässigt werden kann.

Im einfachsten Fall besteht das als Hochpaß ausgebildete Koppelglied aus einem Draht mit jeweils einer gleichsinnigen Windung um den ersten und um den zweiten Stromwandler, wobei der Draht einen bestimmten Widerstand aufweist und mit den Induktivitäten der beiden Stromwandler ein Hochpaß-Filter erster Ordnung bildet. Der Drahtwiderstand wird dabei vorzugsweise so gewählt, daß eine untere Grenzfrequenz f_gu erreicht ist, um die Vorgaben im IEC-Report 479 zum Personenschutz zu erfüllen.

Zusätzlich kann durch Reihenschaltung einer Induktivität (z. B. ein einfacher Ferritkern) zum Drahtwiderstand ein Tiefpaß-Filter z. B. erster Ordnung mit einer zweiten höheren Grenzfrequenz f_go gebildet werden. Die Frequenz f_go wird so gewählt, daß im gesamten von der erfindungsgemäßen Vorrichtung auswertbaren Differenzstromspektrum eine maximale Auslöseschwelle zur Gewährleistung eines Brandschutzes nicht überschritten wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit passiven Bauelementen ausbildbar, sie kann jedoch auch mit Hilfe einer aktiven Verstärkerschaltung realisiert sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltanordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen eines elektrischen Differenzstromes,

Fig. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 ein Diagramm mit der Darstellung des Auslösestromfrequenzganges der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2.

Die Vorrichtung in Fig. 1 weist einen ersten magnetischen Stromwandler 1 auf. Durch diesen Wandler 1 ist ein elektrischer Leiterstrang 2 mit den Leitern L1, L2, L3 und N geführt.

Mit dem ersten Wandler 1 steht über Leitungen 3 eine Auswerteeinheit 4 in Verbindung, die über eine Leitung 3 noch mit einer Auslöseeinheit 5 verbunden ist. Die Auslöseeinheit 5 wirkt mechanisch auf ein in die Leiter L1, L2, L3, N eingesetztes Schaltwerk 6 zurück, so daß bei Auftreten eines bestimmten Differenzstromes eine Unterbrechung des über den Leiterstrang 2 geführten Leitungsweges erfolgt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit als Differenzstromschutzvorrichtung ausgebildet.

Dem ersten Stromwandler 1 ist ein zweiter Stromwandler 7 nachgeschaltet. Der elektrische Leiterstrang 2 ist mit seinen Leitern im Anschluß an den ersten Wandler 1 durch den zweiten Wandler 7 geführt. Dem Wandler 7 kann im weiteren Verlauf des elektrischen Leitungsweges z. B. ein Frequenzumrichter nachgeschaltet sein.

Der zweite Wandler 7 ist über ein Koppelglied 8 mit dem ersten Wandler 1 verschaltet. Das Koppelglied 8 ist, wie in Fig. 2 erkennbar, aus einem Widerstand R1 und den Induktivitäten LW 1 und LW 2 der Wandler 1 (W1) und 7 (W2) als Hochpaß erster Ordnung ausgebildet. Das Ersatzschaltbild zeigt eine einfache passive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit einem Primärdifferenzstrompfad 9 beaufschlagt ist.

Zu dem Widerstand R1 ist noch eine Induktivität L1 in Reihe geschaltet, so daß durch das Koppelglied 8 zugleich ein einfacher Tiefpaß ausgebildet ist.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der mit durchgehender Linie 10 kenntlich gemachten Auslöseschwelle für die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 über die Frequenz. Bei niedrigen Frequenzen bis 100 Hz ist die Auslösestromstärke kleiner als 30 mA. Bei einem Frequenzanstieg auf 1.000 Hz und größer, steigt die Auslösestromstärke auf über 100 mA.

Mit strich-punktierten Linien sind in der Fig. 3 minimale und maximale Schwellenwerte nach dem Report IEC 479 kenntlich gemacht. Der Verlauf der Auslösestromstärke befindet sich vorteilhaft in einem Bereich zwischen noch zulässigen minimalen und maximalen Werten. Eine gestrichelte Linie bei etwa 400 mA zeigt eine oberste Auslösestromstärke aus Brandschutzgründen. An diese Grenze nähert sich die Linie 10 bei hohen Frequenzen von 10.000 Hz und darüber an, ohne sie zu erreichen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Erfassen von elektrischen Differenzströmen, insbesondere von Mischströmen aus glattem Gleichstrom und Wechselströmen, umfassend wenigstens zwei Leiter für zu überwachende Lastströme und umfassend zumindestens einen magnetischen Stromwandler, durch den die Leiter geführt sind, wobei die Leiter durch wenigstens einen weiteren magnetischen Stromwandler geführt sind und wobei der zweite Stromwandler mit dem ersten Stromwandler elektrisch leitend verschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Leitungsweg zwischen den Stromwandlern (1, 7) ein eine Phasendrehung des über den Leitungsweg geführten Stromes um etwa 180° bewirkendes Koppelglied (8) angeordnet ist, das als Hochpaß ausgebildet ist, wobei der zweite Stromwandler eine höhere Induktivität als der erste Stromwandler aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochpaß (8) eine definierte untere Grenzfrequenz f_gu aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochpaß aus einem Draht mit jeweils wenigstens einer gleichsinnigen Windung um den ersten und zweiten Stromwandler (1, 7) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf des Drahtes eine Induktivität angeordnet ist, so daß ein Tiefpaßfilter mit einer oberen Grenzfrequenz f_go ausgebildet ist.