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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von elektrischen Fehlerströmen, sowie ein elektromagnetisches Filter ("Drossel") und eine Filterschaltung zur Unterdrückung von hochfrequenten Störsignalen in Form bzw. mit einer solchen Vorrichtung. Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Fehlerstrom-Schutzschaltung (auch FI-Schalter genannt), die (bzw. der) eine solche Vorrichtung aufweist.
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Eine Vorrichtung zur Erfassung von elektrischen Fehlerströmen dient üblicherweise zur Ansteuerung einer Fehlerstrom-Schutzschaltung oder ist Bestandteil einer solchen Schaltung, mit der der Stromfluss zwischen einer Stromquelle und einem elektrischen Verbraucher unterbrochen wird, wenn der zu dem Verbraucher fließende Strom nicht gleich dem vom Verbraucher zurück fließenden Strom ist, oder wenn die Differenz zwischen diesen beiden Strömen einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
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Aus der
DE 101 25 338 ist eine Fehlerstrom-Schutzschaltung bekannt, die einen Stromeingang, eine Mehrzahl von Stromausgängen zur Stromversorgung daran angeschlossener Verbraucher, eine zwischen den Stromeingang und die Stromausgänge geschaltete Schalteinrichtung zur Unterbrechung des Stromflusses zwischen dem Stromeingang und den Stromausgängen, sowie an jedem Stromausgang eine Vorrichtung zur Erfassung von Fehlerströmen aufweist, mit der die Schalteinrichtung zur Unterbrechung des Stromflusses geöffnet wird, wenn einer der von diesen Vorrichtungen erfassten Fehlerströme einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
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Damit können zwar die Fehlerströme separat an jedem einzelnen Verbraucher überwacht und erfasst werden, nachteilig hierbei ist jedoch, dass in dem Fall, in dem der Fehlerstrom an nur einem Verbraucher den vorbestimmten Schwellwert überschreitet, sämtliche Verbraucher von dem Stromeingang getrennt und damit stromlos geschaltet werden.
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Aus der
DE 10 2007 027 727 ist eine Vorrichtung zur Fehlerstromerfassung in Maschinen bekannt, die eine Anzahl von elektromagnetischen Filtern oder Drosseln zur Unterdrückung hochfrequenter Störsignale aufweisen, wobei diese Filter oder Drosseln durch Anordnung jeweils einer zusätzlichen Wicklung daran jeweils auch zur Fehlerstromerfassung ausgebildet sind. Diese zusätzlichen Wicklungen sind mit jeweils einer Messvorrichtung zur Erfassung einer durch einen Fehlerstrom in der betreffenden Wicklung induzierten Spannung verbunden. Ausgehend von der Annahme, dass die genannten Filter bzw. Drosseln zur Unterdrückung von hochfrequenten Störsignalen ohnehin in zahlreichen Schaltkreisen einer Maschine vorhanden sein müssen, kann auf einfache Art und Weise eine individuelle Fehlerstromerfassung (und ggf. Abschaltung) für jeden solchen Schaltkreis realisiert werden, ohne gesonderte (bzw. zusätzliche) Vorrichtungen zur Fehlerstromerfassung installieren zu müssen.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch die Anordnung einer zusätzlichen (Fehlerstrom-)Wicklung an bzw. auf dem Filter bzw. der Drossel die Gefahr besteht, dass die Dämpfung hochfrequenter Störsignale beeinträchtigt bzw. reduziert wird.
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Außerdem hat sich gezeigt, dass insbesondere an den Enden der Filterwicklungen einer solchen Drossel Streufelder entstehen können, die in der Fehlerstromwicklung zusätzliche Spannungen bzw. Ströme induzieren, die die exakte Erfassung der eigentlichen Fehlerströme beeinträchtigen.
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Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb darin, eine Vorrichtung zur Erfassung von elektrischen Fehlerströmen zu schaffen, mit der nicht nur Fehlerströme zuverlässiger erfasst, sondern gleichzeitig auch hochfrequente Signale wirksamer unterdrückt werden können, als es mit einem der oben genannten bekannten Filter möglich ist.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Filterschaltung, die zur Unterdrückung von hochfrequenten Signalen wie insbesondere Störsignalen dient und ein elektromagnetisches Filter ("Drossel" oder "Entstördrossel") aufweist, so weiterzubilden, dass damit gleichzeitig Fehlerströme zuverlässig erfasst werden können, ohne die Unterdrückung von hochfrequenten Signalen in relevantem Maße zu beeinträchtigen.
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Gelöst werden diese Aufgaben mit einer Vorrichtung zur Erfassung von elektrischen Fehlerströmen gemäß Anspruch 1 bzw. einer Filterschaltung gemäß Anspruch 9.
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Da die erfindungsgemäße Vorrichtung Vorteilhafterweise (auch) zur Unterdrückung von hochfrequenten Signalen wie insbesondere Störsignalen geeignet ist, wird sie vorzugsweise als Bestandteil von elektrischen Verbrauchern, insbesondere Maschinen, oder von Schaltungen, insbesondere zur Ansteuerung solcher Verbraucher, oder von Schaltnetzteilen, eingesetzt. Umgekehrt können aber auch die meisten, zur Unterdrückung von hochfrequenten Störsignalen dienenden elektromagnetischen Filter wie insbesondere Drosseln, die in solchen elektrischen Verbrauchern üblicherweise vorhanden sind, in der erfindungsgemäßen Weise nachgerüstet werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber auch Bestandteil einer Fehlerstrom-Schutzschaltung sein und dort ggf. auch zur Unterdrückung von unerwünschten hochfrequenten Signalen dienen.
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Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten und beispielhaften Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Fehlerstromerfassung;
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2 eine schematische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Fehlerstromerfassung; und
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3 ein schematisches Schaltbild einer Filterschaltung mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Fehlerstromerfassung gemäß 2.
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1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erfassung von elektrischen Fehlerströmen gemäß der Erfindung, die in Gestalt eines elektromagnetischen Filters, insbesondere eines Tiefpassfilters oder einer Drosselspule (nachfolgend "Drossel" genannt) zur Unterdrückung hochfrequenter Signale ausgebildet ist.
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Die Drossel beinhaltet einen magnetischen Kern 1 (üblicherweise einen Ferritkern), der vorzugsweise stabförmig oder zylindrisch oder ring- oder torusförmig (kreisförmig oder oval) ausgebildet ist ("Ringkerndrossel"), aber auch eine rechteckige oder andere insbesondere geschlossene Form aufweisen kann, und auf den in bekannter Weise mindestens eine Filterwicklung (auch Drosselwicklung genannt) aufgewickelt ist. Der Querschnitt des Kerns 1 wird in bekannter Weise gewählt. Die folgenden Erläuterungen gelten sinngemäß für alle solche Kernformen.
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In dem in 1 dargestellten Beispiel weist die als Ringkerndrossel ausgebildete Drossel eine erste Filterwicklung 2 und eine zweite Filterwicklung 3 auf, wobei die beiden Filterwicklungen 2, 3 vorzugsweise gegensinnig gewickelt sind, wie sie bei stromkompensierten Drosseln zur Unterdrückung von Gleichtakt-Störsignalen zu finden sind. Die beiden Filterwicklungen 2, 3 sind dabei entlang des Kerns voneinander beabstandet, so dass der Kern 1 entlang seines Umfangs einen ersten und einen zweiten Kernabschnitt 11, 12 aufweist, um die jeweils die erste bzw. die zweite Filterwicklung 2; 3 gewickelt ist, und wobei zwischen den beiderseitigen Enden des ersten und des zweiten Kernabschnitts 11, 12 jeweils ein dritter bzw. ein vierter Kernabschnitt 13, 14 liegt, in denen der Kern 1 keine Wicklungen trägt.
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Ein Kernabschnitt ist somit generell in der Weise zu verstehen, dass er eine Länge entlang des Kerns aufweist, die geringer ist, als die Gesamtlänge des Kerns, wobei im Falle eines ringförmigen oder ähnlichen, geschlossenen Kerns die Länge bzw. Gesamtlänge in Umfangsrichtung bzw. der Umfang gemeint ist.
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Die Ringkerndrossel gemäß 1 könnte je nach Anwendungszweck auch als Stabkerndrossel ausgebildet sein, die einen stabförmigen oder zylindrischen Kern aufweist, auf den die beiden Filterwicklungen in axialer Richtung voneinander beabstandet aufgebracht sind, so dass sich zwischen beiden wiederum ein Kernabschnitt befindet, der keine Wicklungen trägt.
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Die Länge der ersten und der zweiten Filterwicklung 2, 3 (und dadurch bedingt die Längen des ersten bis vierten Kernabschnitts 11, 12; 13, 14) können dabei jeweils gleich oder unterschiedlich bemessen sein und werden, ebenso wie die Anzahl der Windungen der Filterwicklungen und der Durchmesser des Kerns 1 sowie ggf. andere Parameter entsprechend den gewünschten elektrischen Eigenschaften der Drossel in bekannter Weise gewählt.
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Die Drossel ist gemäß 1 auf einer Schaltungsplatine oder einem Träger P montiert, wobei die erste Filterwicklung 2 über entsprechende erste Anschlüsse 21 und die zweite Filterwicklung 3 über entsprechende zweite Anschlüsse 31 mit anderen elektrischen Komponenten verbunden ist. Sie ist vorzugsweise für ein zweiphasiges Stromnetz ausgelegt, wobei eine für ein drei- oder mehrphasiges Stromnetz ausgelegte Drossel mit drei oder mehr Filterwicklungen jedoch ebenfalls in der nachfolgend erläuterten, erfindungsgemäßen Weise ausgebildet sein kann. Die gilt auch für den Fall, in dem die Drossel nur eine Filterwicklung aufweist.
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Alle diese Drosseln sind erfindungsgemäß mit einer bzw. mindestens einer Wicklung 5 zur Erfassung von elektrischen Fehlerströmen in der Drossel (nachfolgend "Fehlerstromwicklung" genannt) versehen.
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Eine solche (erste) Fehlerstromwicklung 5 ist dabei gemäß 1 in dem ersten Kernabschnitt 11 um den Kern 1 gewickelt, und zwar in der Weise, dass sie sich in beiden Richtung entlang des Kerns 1 (d.h. hier im Uhrzeigersinn und entgegengesetzt dazu) nicht über den ersten Kernabschnitt 11 und damit über die dort befindliche erste Filterwicklung 2 hinaus in den angrenzenden dritten oder vierten Kernabschnitt 13, 14 erstreckt.
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Die Länge der Fehlerstromwicklung 5 entlang des Kerns 1 ist also höchstens genauso groß wie die Länge der ersten Filterwicklung 2, vorzugsweise jedoch, wie in 1 dargestellt, kleiner als diese. Die Fehlerstromwicklung 5 ist dabei, wie in 1 gezeigt, in beiden Richtung entlang des Kerns 1 vorzugsweise symmetrisch in Bezug auf die Länge der ersten Filterwicklung 2 angeordnet. Sie könnte jedoch auch unsymmetrisch angeordnet sein und sich z.B. mit einem ihrer Enden bis zu dem benachbarten Ende der ersten Filterwicklung 2 erstrecken.
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Die Anzahl der Windungen der Fehlerstromwicklung 5 wird so bemessen, dass für einen gewünschten Anwendungsfall die durch die Fehlerströme in der Fehlerstromwicklung 5 induzierten Ströme bzw. Spannungen ausreichend hoch sind, um eine zuverlässige Auswertung zu ermöglichen. In der in 1 dargestellten Ausführung werden die induzierten Ströme bzw. Spannungen zu diesem Zweck über Anschlüsse 51 der Fehlerstromwicklung 5 entsprechenden elektrischen Komponenten zugeführt.
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Die Fehlerstromwicklung 5 ist in elektrisch isolierter Weise gemäß 1 über bzw. auf die darunter liegende erste Filterwicklung 2 gewickelt. Zu diesem Zweck wird die aus dem Kern 1 und den beiden (oder mehr) Filterwicklungen 2, 3 bestehende Drossel vorzugsweise mit einem isolierenden Gehäuse 4 umgeben, auf dessen Außenseite dann die (mindestens eine) Fehlerstromwicklung 5 gemäß obiger Erläuterung aufgebracht wird.
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Denkbar ist aber auch, dass die Fehlerstromwicklung 5 zunächst auf den Kern 1 der Drossel aufgebracht wird und dann die Filterwicklung 2 in elektrisch isolierter Weise wie oben beschrieben über die betreffende Fehlerstromwicklung 5 gewickelt wird.
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Schließlich könnten die Windungen der Fehlerstromwicklung 5 gemeinsam mit den Windungen der Filterwicklung 2 um den Kern 1 gewickelt werden, ohne dass in radialer Richtung des Kerns 1 zwischen beiden Wicklungen ein Abstand besteht.
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Grundsätzlich gilt natürlich, dass sowohl die Filterwicklungen 2, 3, als auch die Fehlerstromwicklung jeweils untereinander elektrisch isoliert ausgeführt sind, d.h. dass die Wicklungen entweder aus elektrisch isolierten Drähten gebildet sind oder die einzelnen Windungen der Wicklungen einen solchen Abstand voneinander aufweisen, dass sie sich nicht berühren. Insbesondere der letztgenannte Fall hat allerdings den Nachteil, dass aufgrund des Abstandes zwischen den einzelnen Windungen Streufelder entstehen können, die zum einen die Filterwirkung negativ beeinflussen und zum anderen zur Induktion von ungewollten Gleichtaktsignalen auf der Fehlerstromwicklung führen.
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Generell kann in dem Fall, in dem die Drossel mehr als eine Filterwicklung 2, 3, aufweist, jeweils mindestens eine Fehlerstromwicklung 5 auch auf zwei oder mehr Filterwicklungen 2, 3 oder auf allen Filterwicklungen 2, 3, wie es oben beschrieben wurde, aufgebracht werden.
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Unabhängig von den oben beschriebenen Varianten ist es in jedem Fall entscheidend, dass sich die jeweilige Fehlerstromwicklung 5 mit keinem ihrer beiden axialseitigen Enden über die axialen Enden der darunter oder darüber liegenden Filterwicklung 2, 3 hinaus und damit in einen Abschnitt 13, 14 des Kerns 1 erstreckt, der frei von Windungen der Filterwicklungen 2, 3 ist.
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2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erfassung von elektrischen Fehlerströmen gemäß der Erfindung, die wiederum in Gestalt eines elektromagnetischen Filters, insbesondere eines Tiefpassfilters oder einer Drosselspule (nachfolgend wiederum "Drossel" genannt) zur Unterdrückung hochfrequenter Signale ausgebildet ist. Die Drossel weist eine erste und eine zweite Filterwicklung 2, 3 auf, die vorzugsweise gegensinnig gewickelt sind, so dass sie als stromkompensierte Drossel zur Unterdrückung von Gleichtakt-Störsignalen dient.
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Gleiche oder einander entsprechende Komponenten wie in 1 sind in 2 mit gleichen bzw. entsprechenden Bezugsziffern bezeichnet. Aus diesem Grund sollen nachfolgend nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform gemäß 1 erläutert werden.
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Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform eine zweite Fehlerstromwicklung 6 aufweist, die in dem zweiten Kernabschnitt 12, in dem sich die zweite Filterwicklung 3 befindet, um den Kern 1 gewickelt ist und Anschlüsse 61 zur Verbindung mit entsprechenden elektrischen Komponenten aufweist.
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Auch für diese zweite Fehlerstromwicklung 6 gilt wiederum, dass sie sich mit ihren beiden axialseitigen (d.h. in Richtung entlang des Kerns liegenden) Enden nicht über die dortigen Enden der zweiten Filterwicklung 3 hinaus erstreckt.
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Ansonsten kann die zweite Fehlerstromwicklung 6 die gleiche oder eine andere Anzahl von Windungen wie die erste Fehlerstromwicklung 5 aufweisen. Auch die Länge der zweiten Fehlerstromwicklung 6 entlang des Kerns 1 sowie die Abstände ihrer beiden axialseitigen Enden von dem jeweiligen axialseitigen Ende der zweiten Filterwicklung 3 können jeweils in gleicher Weise oder unterschiedlich wie bei der ersten Fehlerstromwicklung 5 bemessen sein.
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Für die Bemessung der zweiten Fehlerstromwicklung 6 und das Aufbringen auf die zweite Filterwicklung 3 gilt das Gleiche, wie es oben mit Bezug auf die erste Fehlerstromwicklung 5 beschrieben wurde.
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3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer einphasigen Filterschaltung, insbesondere zur Anwendung als Netzfilter oder in Schaltnetzteilen zur Dämpfung von hochfrequenten Störsignalen, mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Fehlerstromerfassung FE gemäß 2.
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Filterschaltungen dieser Art sind allgemein bekannt. Sie weisen einen Eingang auf, der z.B. mit einem elektrischen Versorgungsnetz N verbunden ist, sowie einen Ausgang, an dem eine zu versorgende Last L anliegt. Die beiden mit dem Versorgungsnetz N verbundenen Eingangsleitungen sind im dargestellten Fall über eine Parallelschaltung eines Widerstandes R mit einem ersten Kondensator Cx miteinander verbunden, während die beiden mit der Last L verbundenen Ausgangsleitungen über jeweils einen zweiten Kondensator Cy1, Cy2 mit Masse verbunden sind. Die beiden Eingangsleitungen sind mittels der Vorrichtung zur Fehlerstromerfassung FE, wie sie z.B. in 2 dargestellt ist, mit den beiden Ausgangsleitungen verbunden.
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Dabei ist eine der beiden Eingangsleitungen mit einem Anschluss der ersten Filterwicklung 2 und die andere Eingangsleitung mit einem Anschluss der zweiten Filterwicklung 3 verbunden, während eine der beiden Ausgangsleitungen an dem anderen Anschluss der ersten Filterwicklung 2 und die andere Ausgangsleitung an dem anderen Anschluss der zweiten Filterwicklung 3 anliegt. Wie bereits erwähnt wurde und auch in 2 zu erkennen ist, sind die beiden Filterwicklungen 2, 3 vorzugsweise gegensinnig gewickelt, so dass die beiden Filterwicklungen 2, 3 gegensinnig von dem vom Netz N zu der Last L (Hinleitung) bzw. von dem von der Last L zu dem Netz N (Rückleitung) fließenden (Gegentakt-)Last- oder Betriebsstrom durchflossen werden. Die resultierenden entgegen gesetzten magnetischen Flüsse in dem Kern 1 der Drossel heben sich somit im Wesentlichen auf, so dass die Induktivität der Drossel für Gegentaktströme gering ist.
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Störsignale hingegen, die in Form von so genannten Gleichtaktströmen gleichsinnig in der Hin- und der Rückleitung auftreten, erzeugen in dem Kern 1 einer solchen Drossel magnetische Flüsse in gleicher Richtung, die sich somit nicht aufheben, sondern gegenseitig verstärken, so dass die Drossel (Gleichtaktdrossel) eine hohe Induktivität bildet und Gleichtakt-Störsignale damit gedämpft oder unterdrückt werden.
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Die beiden zweiten Kondensatoren Cy1, Cy2 dienen dabei zur Ableitung restlicher Gleichtakt-Störsignale nach Masse, während der erste Kondensator Cx die Ausbreitung von Gegentakt-Störsignalen vermindert.
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In der Praxis hat sich allerdings gezeigt, dass insbesondere an den beiden Enden der Filterwicklungen 2, 3 Streufelder entstehen können, die den jeweils resultierenden magnetischen Fluss schwächen und dazu führen, dass sich die durch die Gegentaktströme erzeugten magnetischen Flüsse nicht vollständig aufheben. Der in den Filterwicklungen 2, 3 verbleibende magnetische Fluss induziert dann in der jeweils darüber oder darunter gewickelten Fehlerstromwicklung 5 bzw. 6 eine Gleichtakt-Störspannung, die nicht durch einen Fehlerstrom hervorgerufen wird und somit eine Ungenauigkeit bei der Fehlerstromerfassung zur Folge hätte.
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Um diese Störspannungen zu beseitigen, sind gemäß 3 die beiden Fehlerstromwicklungen 5, 6 vorzugsweise mit jeweils einem ihrer beiden Enden miteinander verbunden und liegen mit den beiden anderen Enden an einer Fehlerstromauswertung FA an. Wie durch die Punkte in 3 angedeutet ist, sind die beiden Fehlerstromwicklungen 5, 6 dabei vorzugsweise mit entgegen gesetztem Wickelsinn in Reihe geschaltet. Auf diese Weise kompensieren sich nämlich die (Gleichtakt-)Störspannungen in den beiden Fehlerstromwicklungen 5, 6. Darüber hinaus erzeugt ein Fehlerstrom (Gegentaktsignal) in den auf diese Weise verschalteten Fehlerstromwicklungen 5, 6 Spannungen, die sich addieren und somit zusätzlich die Fehlerstromerfassung verbessern. Durch die Kombination dieser beiden Effekte können auch geringe Fehlerströme mit sehr hoher Genauigkeit erfasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10125338 [0003]
- DE 102007027727 [0005]
