DE102008005687A1

DE102008005687A1 - Steuereinrichtung zum sicheren Wiedereinschalten eines Fehlerstromschutzschalters

Info

Publication number: DE102008005687A1
Application number: DE200810005687
Authority: DE
Inventors: Ludwig Birkl; Johann Herrmann; Hans-Jürgen Huber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2009-08-06
Also published as: CN101926069B; CN101926069A; EP2235805A1; WO2009092509A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zum sicheren Wiedereinschalten eines Fehlerstromschutzschalters sowie einen entsprechenden Fehlerstromschutzschalter. Die Steuereinrichtung (4) zum sicheren Wiedereinschalten eines Fehlerstromschutzschalters (1), der einen zu schützenden lastseitigen Stromkreis (2) mittels jeweils einem Schaltelement (S1, S2) in einer Anzahl von Stromleitern (L) und einem Neutralleiter (N) sicher vom netzseitigen Stromnetz (3) getrennt hat weist eine Überprüfeinrichtung (41), eine Wiedereinschalteinrichtung (42) und eine von den netzseitigen Strom- und Neutralleitern (L, N) galvanisch getrennte Spannungsversorgung (43) auf. Diese Spannungsversorgung (43) stellt eine Prüfspannung (U1) für die Überprüfeinrichtung (41) bereit, wobei die Überprüfeinrichtung (41) diese Prüfspannung (U1) lastseitig zwischen den Stromleitern (L), dem Neutralleiter (N) und einem Erdleiter (PE) anlegt. Die Wiedereinschalteinrichtung (42) verbindet den lastseitigen Stromkreis (2) durch Schließen aller Schaltelemente (S1, S2) wieder mit dem netzseitigen Stromnetz (3), wenn die Überprüfeinrichtung (41) erkannt hat, dass ein, durch die Prüfspannung (U1) bewirkter Messstrom (I) einen vorgegebenen Wert unterschritten hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zum sicheren Wiedereinschalten eines Fehlerstromschutzschalters gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, sowie einen entsprechenden Fehlerstromschutzschalter gemäß Anspruch 7.
Fehlerstromschutzschalter, auch FI-Schalter genannt, kommen überall dort zum Einsatz wo es darum geht Stromkreise für den Menschen sicherer zu machen. Tritt in dem zu überwachenden Stromkreis ein Fehlerstrom, wie zum Beispiel ein Erdschlussstrom auf, werden sowohl der stromführende Phasenleiter als auch der Neutralleiter getrennt und damit der zu schützende Stromkreis vollständig vom Stromnetz getrennt.
Die Funktion heutiger FI-Schalter basiert dabei in aller Regel auf dem Prinzip von Summenstromwandlern, wonach alle in dem zu schützenden Stromkreis fließenden Ströme vorzeichenrichtig aufaddiert werden. Wird aufgrund eines Erdschlusses irgendwo im Stromkreis ein Strom gegen Erde abgeleitet, so ist im Summenstromwandler die Summe von hin- und zurückfließendem Strom nicht mehr Null. Es entsteht eine Stromdifferenz, die zum Ansprechen des FI-Schalters und damit zur Trennung und Abschaltung des Laststromkreises führt. Die Abschaltung erfolgt dabei über jeweilige Trennstrecken in den Stromleitern.
Das Wiedereinschalten des FI-Schalters, und damit die erneute Zuschaltung des lastseitigen Stromkreises, erfolgt anschließend manuell mittels einer entsprechenden Handhabe am FI-Schalter. Dabei muss vor dem Wiedereinschalten aber geprüft werden, ob der Fehler, der zum Auslösen des FI-Schalters geführt hat, nicht mehr besteht.
Die EP 1 569 314 A1 zeigt einen FI-Schalter mit einer zusätzlichen Schaltungseinrichtung zum automatischen Wiedereinschalten des FI-Schalters. Diese Wiedereinschalteinrichtung hat aber den Nachteil, dass die Trennstrecken des FI-Schalters, die den lastseitigen Stromkreis nach dessen Auslösen sicher vom netzseitigen Stromnetz trennen, aber wieder überbrückt werden. Dies hat zur Folge, dass die im Auslösefall durch die geöffneten Trennstrecken erzielte Trennung zwischen lastseitigem Stromkreis und netzseitigem Stromnetz wieder aufgehoben wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuereinrichtung zum sicheren Wiedereinschalten eines Fehlerstromschutzschalters sowie einen entsprechenden Fehlerstromschutzschalter bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Steuereinrichtung zum sicheren Wiedereinschalten eines Fehlerstromschutzschalters gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch den Fehlerstromschutzschalter entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 7.
Sowohl die erfindungsgemäße Steuereinrichtung zum sicheren Wiedereinschalten eines Fehlerstromschutzschalters als auch der erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter selbst ermöglichen ein automatisches Wiedereinschalten nach einem Auslösen des Fehlerstromschutzschalter.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Steuereinrichtung und der Fehlerstromschutzschalter so ausgebildet sind, dass die durch die Schaltelemente des Fehlerstromschutzschalters bewirkten Trennstrecken nicht wieder durch die Steuereinrichtung elektrisch überbrückt werden. Somit wird zum einen im ausgelösten Zustand des Fehlerstromschutzschalters weiterhin die sichere Trennung des vom Fehlerstromschutzschalter zu überwachenden lastseitigen Stromkreises vom netzseitigen Stromnetz gewährleistet. Zum anderen wird durch die galvanische Trennung der Span nungsversorgung der Steuereinrichtung von den netzseitigen Stromleitern des Stromnetzes, die für ein automatisches Wiedereinschalten erforderliche Isolationsmessung zwischen lastseitigen Stromleiter und Erdleiter ohne elektrische Überbrückung der Trennstrecken ermöglicht. Somit ist eine sichere Funktion des Fehlerstromschutzschalters gewährleistet.
Die vorliegende Erfindung ist dabei sowohl für einphasige Stromnetze mit einem Stromleiter, als auch für mehrphasige Stromnetze, mit beispielsweise drei Stromleitern, verwendbar.
Bevorzugt wird die Spannungsversorgung der Steuereinrichtung als Transformator ausgeführt, dessen Primärseite vom netzseitigen Stromnetz versorgt wird und dessen Sekundärseite die für die Isolationsmessung notwendige Prüfspannung auf der Lastseite des Fehlerstromschutzschalters bereitstellt. Durch die galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite des Transformators ist weiterhin gewährleistet, dass im ausgelösten Zustand des Fehlerstromschutzschalters dessen geöffneten Trennstrecken nicht durch die Steuereinrichtung überbrückt werden. Somit kann insbesondere, wenn die Steuereinrichtung in den Fehlerstromschutzschalter integriert ist, ein kompakter Aufbau eines Fehlerstromschutzschalters mit automatischer Wiedereinschaltung erreicht werden, ohne dass dabei die sichere Trennung der Stromleiter verloren geht.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird die Spannungsversorgung der Steuereinrichtung über eine, von außerhalb des Fehlerstromschutzschalters zugeführte Energiequelle erreicht. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die Steuereinrichtung nachträglich an ein Gehäuse des Fehlerstromschutzschalters angebracht oder in dieses eingebaut wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Spannungsversorgung der Steuereinrichtung selbst als Energiespeicher ausgebildet, der so mit dem lastseitigen Strom- und Neutralleiter verbunden ist, so dass dieser nur im nicht ausgelösten Zustand des Fehlerstromschutzschalters aufgeladen wird. Somit kann auch hier eine sichere, kompakte, kostengünstige integrierte Lösung für einen sicheren Fehlerstromschutzschalter erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Steuereinrichtung durch eine weitere Überprüfeinrichtung erweitert, die über ein Koppelelement galvanisch getrennt mit der ersten Überprüfungseinrichtung verbunden ist. Diese weitere Überprüfungseinrichtung legt netzseitig zwischen dem Neutralleiter und dem Erdleiter eine weitere Prüfspannung an. Die Wiedereinschalteinrichtung verbindet den lastseitigen Stromkreis durch Schließen aller Schaltelemente erst dann wieder mit dem netzseitigen Stromnetz, wenn auch eine, durch die weitere Prüfspannung ermittelte Impedanz zwischen netzseitigem Neutralleiter und Erdleiter einen vorgegebenen Wert überschreitet. Somit ist sichergestellt, dass eine zuvor von der ersten Überprüfeinrichtung durchgeführte Isolationsmessung zwischen lastseitigem Stromleiter und Erdleiter aufgrund eines fehlerhaften Erdanschlusses des Erdleiters kein falsches Ergebnis liefert.
Vorzugsweise ist ein weiteres Schaltelement zwischen Erdleiter und Steuereinrichtung vorgesehen, dass mit den Schaltelementen in den Stromleitern und dem Neutralleiter in Wirkverbindung steht. Dieses weitere Schaltelement aktiviert beim Auslösen des Fehlerstromschutzschalters gleichzeitig mit dem öffnen der Schaltelemente die Steuereinrichtung, so dass umgehend nach dem Auslösen die Steuereinrichtung mit der Isolationsprüfung begonnen werden kann.
Im Nachfolgenden soll anhand der, in der Figur dargestellten, Ausführungsform die Erfindung exemplarisch beschrieben werden.
Dargestellt ist ein einphasiger Fehlerstromschutzschalter 1, auch FI-Schalter genannt, der den Stromleiter L und den Neutralleiter N mittels der Schalterelemente S1 und S2 unterbrochen hat. Dadurch wurde erreicht, dass ein vom Fehlerstrom schutzschalter 1 zu schützender lastseitiger Stromkreis 2 (mit gestrichelt dargestellter Last) vollständig und damit sicher vom netzseitigen Stromnetz 3 getrennt ist.
Der Fehlerstromschutzschalter 1 weist dazu eine Messeinrichtung 10 auf, die die in den Stromleitern L und Neutralleiter N fließenden Ströme lastseitig nach den Schaltelementen S1 und S2 an den Leitern L und N abgreift und misst. Zudem ist eine Auswerteeinrichtung 20 vorgesehen, die die Gesamtheit der gemessenen Ströme mit einem Referenzwert vergleicht. Diese Auswerteeinrichtung kann beispielsweise nach dem Summenstromwandler Prinzip arbeiten. Abhängig vom Ergebnis dieser Auswerteeinrichtung 20 wird eine Abschalteinrichtung 30 dann, wie dargestellt, die Schaltelemente S1 und S2 öffnen, oder wenn kein Fehler vorliegt die Schaltelemente S1 und S2 geschlossen halten. Dies geschieht üblicherweise über ein entsprechendes Relais K, das von der Abschalteinrichtung 30 angesteuert wird.
Erfindungsgemäß ist nun zusätzlich eine Steuereinrichtung 4 vorgesehen. Diese umfasst zumindest eine Überprüfeinrichtung 41, eine Wiedereinschalteinrichtung 42 und eine von den netzseitigen Strom- und Neutralleitern L und N galvanisch getrennte Spannungsversorgung 43. Diese Spannungsversorgung stellt für die Überprüfeinrichtung 41 eine Prüfspannung U1 bereit. Die Überprüfeinrichtung 41 legt diese Prüfspannung U1 lastseitig zwischen dem Stromleiter L und dem Erdleiter PE und zwischen dem Neutralleiter und dem Erdleiter PE an, um so anhand des Messstromes I die Impedanz zwischen Strom- L und Neutralleiter N und Erdleiter PE zu messen. Dies kann vorteilhaft mittels zweier Widerstände 46 und 47 erfolgen, die die Überprüfeinrichtung 41 mit dem Stromleiter L bzw. dem Neutralleiter N verbinden.
Die Wiedereinschalteinrichtung 42 wird dann den lastseitigen Stromkreis 2 durch Schließen der Schaltelemente S1 und S2 wieder mit dem netzseitigen Stromnetz 3 verbinden, wenn die Überprüfeinrichtung 41 erkennt, dass der, durch die Prüfspan nung U1 bewirkte Messstrom I einen vorgegebenen Wert unterschritten und damit die Impedanz zwischen Strom- und Neutralleiter bzw. Erdleiter PE einen vorgegebenen Wert überschritten hat.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass die Steuereinrichtung 4 eine galvanisch von den netzseitigen Stromleitern getrennte Spannungsversorgung 43 aufweist. Dies kann auf verschiedene – aber in der Figur nicht näher dargestellte – Art und Weisen erreicht werden. So kann diese Spannungsversorgung 43 beispielsweise als interner oder externer Energiespeicher ausgebildet sein. In seiner einfachsten Ausgestaltung könnte dies eine Batterie oder ein sonstiger Akku sein. Ist dieser Energiespeicher extern angeordnet, müssen entsprechende Anschlüsse an der Steuereinrichtung 4 vorgesehen sein. Ist der Energiespeicher intern, das heißt in einem Gehäuse der Steuereinrichtung, angeordnet, könnte der Akku auch so mit dem Laststromkreis 2 verbunden werden, dass er von diesem aufgeladen wird. Dies ist aber nur zu den Zeitpunkten möglich, in denen der Laststromkreis 2 mit dem Stromnetz 3 verbunden ist. Das bedeutet, dass eine Aufladung des internen Energiespeichers 43 nur im normalen, nicht-ausgelösten, Betriebszustand des Fehlerstromschutzschalters 1 geladen wird. Alternativ könnte die Spannungsversorgung 43 auch ein Transformator sein, dessen Primärseite vom netzseitigen Stromnetz 3 versorgt wird und dessen Sekundärseite die für die Isolationsmessung notwendige Prüfspannung auf der Lastseite 2 bereitstellt.
Neben der Überprüfeinrichtung 41, der Wiedereinschalteinrichtung 42 der Spannungsversorgung 43 weist die in der Figur dargestellte Ausführungsform zusätzlich noch eine weitere Überprüfeinrichtung 44 auf. Diese legt netzseitig zwischen dem Neutralleiter N und dem Erdleiter PE eine weitere Prüfspannung U2 an. Diese Prüfspannung kann aus dem Stromnetz 3 abgeleitet werden, wobei eine sichere Trennung zwischen Stromleiter L und dem Erdleiter PE, zum Beispiel mittels eines Transformators, eingehalten werden sollte. Über ein Koppelelement 45 ist diese weitere Überprüfungseinrichtung 44 galvanisch getrennt mit der Wiedereinschalteinrichtung 42 und der Überprüfeinrichtung 41 verbunden. Die Wiedereinschalteinrichtung verbindet den Stromkreis 2 durch Schließen aller Schaltelemente S1 und S2 erst dann mit dem Stromnetz 3, wenn auch die, durch die weitere Prüfspannung U2 ermittelte Impedanz zwischen Neutralleiter N und Erdleiter PE einen vorgegebenen Wert überschreitet. Somit wird sichergestellt, dass sich die lastseitige Messung nicht auf ein fehlerhaftes Erdleiterpotential bezieht.
Für ein weiter verbessertes Zusammenspiel zwischen den Grundfunktionen 10, 20, 30, S1, S2 und K des Fehlerstromschutzschalters 1 mit denen der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 4 kann zudem ein weiteres Schaltelement S3 zwischen Erdleiter PE und Steuereinrichtung 4 vorgesehen werden, dass mit den Schaltelementen S1 und S2 in Wirkverbindung steht. Dessen Kontakt wird erst dann geschlossen, wenn die beiden anderen Kontakte S1 und S2 geöffnet werden und umgekehrt. Somit wird die Steuereinrichtung 4 nur dann zu den Grundfunktionen des Fehlerstromschutzschalters 1 zugeschaltet, wenn dieser ausgelöst hat. Eine Aktivierung der Steuereinrichtung 4 zur Messung und Überprüfung der lastseitigen Ströme erfolgt somit nur in den Fällen, in denen ein vom Fehlstromschutzschalter detektierter lastseitiger Fehlerstrom vorliegt.
Die zuvor am Beispiel eines einphasigen Netzes beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung und des Fehlerstromschutzschalters ist entsprechend auch auf mehrphasige Netze, mit mehr als einem Stromleiter, anwendbar. Die Prüfspannung U1 wird dann über weitere Widerstände an die entsprechenden Stromleiter angelegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1569314 A1 [0005]

Claims

Steuereinrichtung (4) zum sicheren Wiedereinschalten eines Fehlerstromschutzschalters (1), der einen zu schützenden lastseitigen Stromkreis (2) mittels jeweils einem Schaltelement (S1, S2) in einer Anzahl von Stromleitern (L) und einem Neutralleiter (N) sicher vom netzseitigen Stromnetz (3) getrennt hat, mit einer Überprüfeinrichtung (41), einer Wiedereinschalteinrichtung (42) und einer von den netzseitigen Strom- und Neutralleitern (L, N) galvanisch getrennten Spannungsversorgung (43), die eine Prüfspannung (U1) für die Überprüfeinrichtung (41) bereitstellt, wobei die Überprüfeinrichtung (41) diese Prüfspannung (U1) lastseitig zwischen den Stromleitern (L), dem Neutralleiter (N) und einem Erdleiter (PE) anlegt und die Wiedereinschalteinrichtung (42) den lastseitigen Stromkreis (2) durch Schließen aller Schaltelemente (S1, S2) wieder mit dem netzseitigen Stromnetz (3) verbindet, wenn die Überprüfeinrichtung (41) erkannt hat, dass ein, durch die Prüfspannung (U1) bewirkter Messstrom (I) einen vorgegebenen Wert unterschritten hat.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (43) ein Transformator ist, dessen Primärkreis vom Stromnetz (3) versorgt ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (43) eine, außerhalb der Steuereinrichtung (4) angeordnete Energiequelle ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (43) ein Energiespeicher ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher vom Laststromkreis aufgeladen wird.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Überprüfeinrichtung (44) vorgesehen ist, die netzseitig zwischen dem Neutralleiter (N) und dem Erdleiter (PE) eine weitere Prüfspannung (U2) anlegt, und die Wiedereinschalteinrichtung (42) den Stromkreis (2) durch Schließen aller Schaltelemente (S1, S2) erst dann mit dem Stromnetz (3) verbindet, wenn eine, durch die weitere Prüfspannung (U2) ermittelte Impedanz zwischen Neutralleiter (N) und Erdleiter (PE) einen vorgegebenen Wert unterschreitet, wobei zwischen der Überprüfeinrichtung (41) und der weiteren Überprüfeinrichtung (44) ein Koppelelement (45) vorgesehen ist, das beide Überprüfeinrichtungen (41, 44) galvanisch voneinander trennt.
Fehlerstromschutzschalter (1) zum sicheren Trennen eines zu schützenden lastseitigen Stromkreises (2) vom netzseitigen Stromnetz (3) mit – jeweils einem Schaltelement (S1, S2) in einer Anzahl von Stromleitern (L) und einem Neutralleiter (N) zum Trennen der Strom- und des Neutralleiters (N) zwischen Stromkreis und Stromnetz, – einer Messeinrichtung (10), die die in den Stromleitern (L) und Neutralleiter (N) fließenden Ströme misst, – einer Auswerteeinrichtung (20), die die Gesamtheit der gemessenen Strömen mit einem Referenzwert vergleicht, – einer Abschalteinrichtung (30), die alle Schaltelemente (S1, S2) öffnet, – und einer Steuereinrichtung (4) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Schaltelement (S3) zwischen Erdleiter (PE) und Steuereinrichtung (4) vorgesehen ist, dass mit den Schaltelementen (S1, S2) in den Stromleitern (L) und dem Neutralleiter (N) in Wirkverbindung steht.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (4) sich im Gehäuse des Fehlerstromschutzschalters befindet.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (4) ein eigenes Gehäuse aufweist, dass an ein Gehäuse eines herkömmlichen Fehlerstromschutzschalters angebracht ist.