DE102016217470A1

DE102016217470A1 - Anordnung zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen

Info

Publication number: DE102016217470A1
Application number: DE102016217470.3A
Authority: DE
Inventors: Manfred Adlhoch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2036-09-15
Also published as: GB2556141B; CN107819319A; GB201712980D0; GB2556141A; CN107819319B; DE102016217470B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Anordnung zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen, bei der in einer ersten Leitung zwischen einer netzseitigen ersten Eingangsklemme und einer verbraucherseitigen ersten Ausgangsklemme ein erster Schaltkontakt angeordnet ist, bei der in einer zweiten Leitung zwischen einer netzseitigen zweiten Eingangsklemme und einer verbraucherseitigen zweiten Ausgangsklemme ein zweiter Schaltkontakt angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Schaltkontakt in Wirkverbindung mit einem Magnetauslöser stehen, welcher ein Joch mit einem ersten Schenkel und einem zweiten Schenkel aufweist, wobei der erste Schenkel eine erste Erregerwicklung und der zweite Schenkel eine zweite Erregerwicklung aufweist, welche derart aufeinander abgestimmt sind, dass im fehlerstromfreien Betrieb die von den Erregerwicklungen im Joch erzeugten Magnetflüsse einander aufheben, dass die erste Erregerwicklung zumindest einen Teilstrom der ersten Leitung und die zweite Erregerwicklung zumindest einen Teilstrom der zweiten Leitung führt. Ein Schenkel weist eine Sensorwicklung auf, mit der eine Magnetflussdifferenz ermittelbar ist, die mit einer Steuereinheit verbunden ist, die derart ausgestaltet ist, dass bei einer Magnetflussdifferenz, die einen ersten Schwellwert überschreitet, ein Auslösestrom auf die Sensorwicklung gegeben wird, so dass ein Magnetfluss im Magnetauslöser erzeugt wird, der ein Auslösen des Magnetauslösers bewirkt, so dass mindestens ein Schaltkontakt öffnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, welche zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen ausgebildet ist, sowie einen Fehlerstromschutzschalter mit einer derartigen Anordnung.
Klassische Fehlerstromschutzschalter, welche zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen ausgebildet sind, benutzen hierfür das Transformatorprinzip, welches jedoch für Gleichfehlerströme nicht anwendbar ist. Wechselstromsensitive Fehlerstromschutzschalter weisen einen Summenstromwandler auf, durch den eine erste Leitung zu einem Verbraucher sowie die vom Verbraucher zurückkommende, zugeordnete zweite Leitung geführt sind. Fließt verbraucherseitig ein Strom gegen Erde ab, so wird in diesem Zusammenhang von einem Fehlerstrom gesprochen. Dieser Fehlerstrom kann nun mit Hilfe des Summenstromwandlers erfasst werden, da die betragsmäßig erfasste Summe aus zufließenden und zurückfließenden Strömen im Falle eines Fehlerstroms ungleich Null ist. Über ein Relais wird eine Auslösemechanik in Gang gesetzt, welche eine Unterbrechung der Zuleitung und optional der Rückleitung bewirkt. Fehlerstromschutzschalter zur Erfassung von Wechselfehlerströmen sind allgemein aus der Druckschrift DE 44 32 643 A1 bekannt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 034 001 A1 ist eine Anordnung zur Erfassung und Abschaltung von Gleichfehlerströmen bekannt. Diese weist einen ersten Schaltkontakt auf, welcher in einer Hinleitung zwischen einer netzseitigen ersten Eingangsklemme und einer verbraucherseitigen ersten Ausgangsklemme angeordnet ist. Weiterhin weist die Anordnung einen zweiten Schaltkontakt auf, welcher in einer Rückleitung zwischen einer netzseitigen zweiten Eingangsklemme und einer verbraucherseitigen zweiten Ausgangsklemme angeordnet ist. Der erste und der zweite Schaltkontakt stehen dabei in Wirkverbindung mit einem Magnetauslöser, welcher ein Joch mit zwei Schenkeln aufweist, wobei jedem der Schenkel eine Erregerwicklung zugeordnet ist, welche derart aufeinander abgestimmt sind, dass im fehlerstromfreien Betrieb die von den Erregerwicklungen im Joch erzeugten Magnetflüsse einander aufheben. Weiterhin sind ein erster Messwiderstand in der Hinleitung und ein zweiter Messwiderstand in der Rückleitung geschaltet. Die erste Erregerwicklung ist dabei an die Anschlüsse des ersten Messwiderstands angeschlossen und die zweite Erregerwicklung ist an die Anschlüsse des zweiten Messwiderstands angeschlossen, so dass sich im Falle eines verbraucherseitigen Gleichstromfehlerstroms die im Joch induzierten Magnetflüsse einander nicht mehr aufheben, so dass durch Auslösen des Magnetauslösers zumindest einer der beiden Schaltkontakte geöffnet wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gleich- und wechselstromsensitiven Fehlerstromschutzschalter bereitzustellen, welcher sich durch eine gute Betriebssicherheit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen sowie durch den erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalter gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Erfindungsgemäß ist in einer ersten Leitung zwischen einer netzseitigen ersten Eingangsklemme und einer verbraucherseitigen ersten Ausgangsklemme ein erster Schaltkontakt angeordnet. In einer zweiten Leitung ist zwischen einer netzseitigen zweiten Eingangsklemme und einer verbraucherseitigen zweiten Ausgangsklemme ein zweiter Schaltkontakt angeordnet. Der erste und der zweite Schaltkontakt stehen in Wirkverbindung mit einem Magnetauslöser, welcher ein Joch aufweist. Beispielsweise kann das Joch einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweisen Das Joch weist eine erste und eine zweite Erregerwicklung auf, welche derart aufeinander abgestimmt sind, dass im fehlerstromfreien Betrieb die von den Erregerwicklungen im Joch erzeugten Magnetflüsse einander aufheben.
Die erste Erregerwicklung führt zumindest einen Teilstrom der ersten Leitung und die zweite Erregerwicklung zumindest einen Teilstrom der zweiten Leitung. Mit zumindest einem Teilstrom ist gemeint, dass ein Teil des Stromes der Leitung, als auch der ganze Strom der Leitung geführt werden kann. D.h. beispielsweise das der komplette Strom der Leitung durch die Erregerwicklung geführt wird. Mit Erregerwicklung ist auch eine Wicklung mit nur einer Windung oder einer halben Windung gemeint. D.h. beispielsweise könnte lediglich ein Leiter durch den Magnetauslöser bzw. das Joch respektive den Magnetflusskreis geführt sein. Das Joch weist eine Sensorwicklung auf, die mit einer Steuereinheit verbunden ist. Diese sind derart ausgestaltet, dass eine Magnetflussdifferenz ermittelbar ist. Bei einer Magnetflussdifferenz, die einen ersten Schwellwert überschreitet, wird ein Auslösestrom auf die Sensorwicklung gegeben, so dass ein Magnetfluss im Magnetauslöser erzeugt wird, der ein Auslösen des Magnetauslösers bewirkt, so dass mindestens ein Schaltkontakt öffnet.
Eine derart ausgebildete Anordnung zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen hat den Vorteil, dass diese sowohl für Gleich- als auch Wechselspannung eingesetzt werden kann. Ferner wird nur ein Magnetkreis verwendet, der sowohl Funktionen für einen Haltemagnetkreis als auch eines Summenstromwandlers realisiert. Ferner zeichnet sich die Lösung durch eine hohe Robustheit aus, da die Stromdifferenz respektive Magnetflussdifferenz nicht direkt zur Auslösung, d.h. zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises der ersten und zweiten Leitung, verwendet wird. An Stelle dessen wird die Magnetflussdifferenz elektronisch erfasst, eventuell elektronisch weiterverarbeitet, mit Schwellwerten bzw. Zeitdauer-Schwellwerten, d.h. ein Schwellwert muss für eine gewisse Zeitdauer vorliegen, verglichen, und bei Überschreitung dessen bzw. der Erfüllung vordefinierter Auslösekriterien wird eine Auslösung veranlasst. Diese erfolgt erfindungsgemäß dahingehend, dass der Magnetkreis für die Erfassung auch gleichzeitig für die Auslösung bzw. Abschaltung verwendet wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Sensorwicklung auch gleichzeitig als Auslösewicklung verwendet wird, in dem ein Strom in die Sensorwicklung eingeprägt wird, der einen Magnetfluss im Magnetauslöser bewirkt, so dass der Magnetauslöser auslöst und mindestens einen Schaltkontakt öffnet. Somit führen kurzzeitige Magnetflussdifferenzen nicht unbedingt zur Auslösung, sondern nach elektronischer Auswertung und Erfüllung vorbestimmter Kriterien erfolgt erst eine Auslösung. Somit lassen sich ein kompakter Aufbau und eine robuste Funktion erreichen. Aufgrund der konstruktiven Gestaltung zeichnet sich die einfach aufgebaute Anordnung zudem durch eine hohe Verfügbarkeit aus, was ferner zu einer hohen Betriebssicherheit der Anordnung beiträgt.
Im Falle einer Gleichstromverwendung bzw. allstromsensitiven Verwendung ist zu beachten, dass die erste Erregerwicklung und die zweite Erregerwicklung polaritätsrichtig angeschlossen sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Joch eine Auslösewicklung auf. Der Auslösestrom wird, an Stelle auf die Sensorwicklung, auf die Auslösewicklung gegeben. Derart, dass ein Magnetfluss im Magnetauslöser erzeugt wird, der ein Auslösen des Magnetauslösers bewirkt, so dass mindestens ein Schaltkontakt öffnet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass selbst der Auslösevorgang durch die Sensorwicklung überwacht werden kann. So kann beispielsweise geprüft werden, ob die Auslösewicklung in Ordnung ist und einen ausreichenden Magnetfluss für den Magnetauslöser zur Öffnung des Schaltkontaktes erzeugt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der ersten Leitung ein erster Messwiderstand geschaltet und in der zweiten Leitung (20) ein zweiter Messwiderstand (24) geschaltet. Die erste Erregerwicklung ist an die Anschlüsse des ersten Messwiderstands angeschlossen, die zweite Erregerwicklung ist an die Anschlüsse des zweiten Messwiderstands angeschlossen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Lösung für die Führung eines Teilstromes über die Erregerspulen gegeben ist. Somit lassen sich auch bei großen Strömen im Stromkreis, d.h. in der ersten und zweiten Leitung, kleine Anordnungen für die Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen realisieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Schaltkontakt und/oder der zweite Schaltkontakt über eine Schaltmechanik betätigbar und ein Auslösen der Schaltmechanik über den Magnetauslöser ist initiierbar. Dies hat den besonderen Vorteil, dass mit Hilfe der Anordnung auch kleinere Magnetflüsse sicher zur Auslösung führen. So ist ein Magnetauslöser mit verhältnismäßig geringen Kräften realisierbar. Mithilfe der Schaltmechanik, welche zwischen dem Magnetauslöser und den Schaltkontakten angeordnet ist und in Wirkverbindung mit dem Magnetauslöser sowie der Schaltkontakte steht, können die vergleichsweise geringen Kräfte des Magnetauslösers – durch einen in der Schaltmechanik vorhandenen Energiespeicher (Kraftspeicher-Feder) – derart verstärkt übertragen werden, dass ein schnelles und sicheres Auslösen der Schaltkontakte realisierbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die im Joch induzierten Magnetflüsse durch die Dimensionierung der Messwiderstände und/oder durch die geometrische Gestaltung der Erregerspulen einstellbar. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Funktionsfähigkeit der Anordnung durch die Dimensionierung bzw. Gestaltung einstellbar ist. Die im Joch induzierten Magnetflüsse sollen sich im fehlerstromfreien Zustand gegenseitig aufheben. Dies kann auf mehrere Arten realisiert werden, beispielsweise durch eine entsprechende Dimensionierung der Messwiderstände, aber auch durch die geometrische Gestaltung der Erregerspulen, beispielsweise durch die Windungszahl; über die Wicklungsrichtung kann die Polung variiert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Magnetauslöser einen Permanentmagneten auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Zusammenhalten des Magnetkreises bzw. Magnetauslösers durch einen ständigen Magnetfluss realisierbar ist, was besonders für Gleichstromanwendungen von Vorteil ist. So kann beispielsweise ein Anker gehalten werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Magnetauslöser einen Anker auf, über den die Magnetflüsse des Joches fließen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Anker als Auslöseelement des Magnetauslösers dienen kann, beispielsweise wenn die Magnetflussdifferenz, insbesondere bei Gleichstrom, so groß ist, dass sie direkt ein Auslösen bzw. Öffnen des Schaltkontaktes bewirken soll. Bei Auslösung durch Auslösestrom kann sie das Auslöseelement des Magnetauslösers sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Anker mit mindestens einer Feder verbunden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein permanentmagnetloser Magnetauslöser mit Anker realisierbar ist, in dem der Anker durch die Feder an das Joch gedrückt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Joch weitere Erregerwicklungen auf, um zumindest Teilströme eines Dreiphasen-Wechselstromkreises zu führen, so dass Fehlerströme erfasst und abgeschaltet werden können. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die erfindungsgemäße Lösung auch für Dreiphasen-Wechselstromnetze eingesetzt werden kann. Im Falle eines Joches mit mehreren Schenkeln können auch alle Erregerwicklungen auf einem Schenkel angeordnet sein. Das Joch kann auch als einschenkeliges Joch gestaltet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit derart ausgestaltet, dass diese einen Filter und einen Analog-Digital-Umsetzer aufweist, mit dem das Signal der Sensorwicklung verarbeitet wird, sowie einen Mikroprozessor mit Speicher, der das verarbeite Sensorsignal hinsichtlich des Überschreitens des ersten Schwellwertes prüft, und bei Überschreitung einen elektrischen Strom durch die Sensorwicklung oder die Auslösewicklung fließen lässt. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine elektronische Verarbeitung bzw. digitale Verarbeitung des Sensorsignals ermöglicht wird, wodurch sich, beispielsweise mikroprozessorunterstützt, viele Auswertungen, Erfassungen und Funktionen realisieren lassen.
Vorteilhafterweise kann die Anordnung in einem Fehlerstromschutzschalter verwendet werden, mit dem sich die vorgenannten Vorteile realisieren lassen. Insbesondere kann ein Fehlerstromschutzschalter für Gleich- oder/und Wechselstrom realisiert werden, wodurch ein allstromsensitives Schutzelement zur Verfügung steht.
Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf die unabhängigen Patentansprüche, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen.
Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1A und 1B schematische Darstellungen des Meßprinzips der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Anordnung;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Anordnung;
4 eine schematische Darstellung einer dritten Anordnung;
5 eine schematische Darstellung einer vierten Anordnung;
6 eine schematische Darstellung einer fünften Anordnung;
7 eine schematische Darstellung einer sechsten Anordnung.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen das entsprechende Teil ebenfalls zu erkennen ist.
In den 1A und 1B ist das Messprinzip der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen schematisch dargestellt. 1A zeigt dabei einen stark vereinfachten Schaltplan der Anordnung im fehlerfreien Betrieb. Zur Ermittlung eines Fehlerstroms wird hierbei das Prinzip der Strom- bzw. Spannungsdifferenz genutzt: Die Anordnung weist eingangsseitig eine erste Eingangsklemme 11 und eine zweite Eingangsklemme 21 auf, welche zum Anschluss der Anordnung an ein Versorgungsnetz 60 ausgebildet sind. Ausgangsseitig weist die Anordnung eine erste Ausgangsklemme 12 und eine zweite Ausgangsklemme 22 auf, welche zum Anschluss eines Verbrauchers 50 ausgebildet sind. Zwischen der ersten Eingangsklemme 11 und der ersten Ausgangsklemme 12 ist ein erster Messwiderstand 14, zwischen der zweiten Eingangsklemme 21 und der zweiten Ausgangsklemme 22 ein zweiter Messwiderstand 24 elektrisch geschaltet. Im fehlerfreien Betrieb, d.h. solange kein Fehlerstrom auftritt, fließt von einem Versorgungsnetz 60 (in 1 nicht dargestellt) über die erste Eingangsklemme 11 ein Strom I, der sowohl am ersten Messwiderstand 14 als I₁, als auch am Verbraucher 50 als I_V sowie am zweiten Messwiderstand als I₂ gemessen werden kann. Im fehlerfreien Betriebszustand gilt also: I₁ = I_V = I₂
Weist nun der erste Messwiderstand 14 einen ohmschen Widerstandswert R₁ auf, der genauso groß dimensioniert ist wie der ohmsche Widerstandswert R₂ des zweiten Messwiderstands 24, d.h. gilt die Beziehung R₁ = R₂, so entspricht nach dem ohmschen Gesetz die am ersten Messwiderstand 14 anliegende Spannung U₁ der am zweiten Messwiderstand 24 anliegende Spannung U₂. Es gilt somit: R₁ = R₂ ↔ U₁ = U₂
Dies ist das Kennzeichen für den fehlerfreien Betrieb der Anordnung. In diesem Zustand fließt verbraucherseitig kein Fehlerstrom I_F gegen Erde ab.
In 1B ist ein fehlerbehafteter Betriebszustand der Anordnung dargestellt, bei dem verbraucherseitig 50 ein Fehlerstrom I_F gegen Erde abfließt. Der prinzipielle Aufbau der Anordnung entspricht dabei dem in 1A beschriebenen Aufbau. Im Unterschied dazu hat die Gleichung I₁ = I_V = I₂, welche für den fehlerfreien Betrieb gültig ist, in diesem Fall keine Gültigkeit mehr. Stattdessen gilt nun: I₁ = I₂ + I_F
Das Potential der zweiten Eingangsklemme 21 ist in diesem Fall beispielsweise versorgungsnetzseitig geerdet.
Da für die beiden Messwiderstände 14 und 24 noch immer die Beziehung R₁ = R₂ gilt, gleichzeitig aber im Falle eines Fehlerstroms I₁ > I₂ ist (siehe oben), folgt hieraus, dass die am ersten Messwiderstand 14 anliegende Spannung U₁ größer sein muss als die am zweiten Messwiderstand 24 anliegende Spannung U₂. Es gilt die Beziehung U₁ > U₂ oder ∆U = U₁ – U₂, welche durch den abfließenden Fehlerstrom I_F bedingt wird. Die daraus resultierende Spannungsdifferenz ∆U bzw. der Stromunterschied zwischen dem ersten Messwiderstand 14 und dem zweiten Messwiderstand 24 kann somit zum Auslösen der Anordnung benutzt werden.
2 zeigt das Wirkprinzip der Überwachung und Auslösung in einer Anordnung in einer schematischen Darstellung. Die Eingangsklemmen 11 und 21 sind wiederum zum Anschluss der Anordnung an ein Stromversorgungsnetz vorgesehen; die Ausgangsklemmen 12 und 22 dienen zum Anschluss eines elektrischen Verbrauchers. In der erste Leitung 10 sind zwischen der ersten Eingangsklemme 11 und der ersten Ausgangsklemme 12 der erste Messwiderstand 14 und der erste Schaltkontakt 13 in Reihe geschaltet angeordnet; in der zweiten Leitung 20 sind zwischen der zweiten Eingangsklemme 21 und der zweiten Ausgangsklemme 22 entsprechend der zweite Messwiderstand 24 und der zweite Schaltkontakt 23 in Reihe geschaltet angeordnet. Der ersten Schaltkontakt 13 und der zweite Schaltkontakt 23 stehen mit einer Schaltmechanik 3 der Anordnung in Wirkverbindung, welche dazu vorgesehen ist, bei Auftreten eines Fehlerstroms die Schaltkontakte 13 und 23 zu öffnen.
Zur Überwachung und Auslösung weist die Anordnung einen Magnetauslöser 5 auf, welcher über die Schaltmechanik 3 mit dem ersten Schaltkontakt 13 sowie dem zweiten Schaltkontakt 23 mechanisch verbunden ist. Der Magnetauslöser 5 ist über eine Wirkverbindung, beispielsweise über einen Auslösehebel (nicht dargestellt) mit der Schaltmechanik 3 verbunden und weist einen Anker 2, einen Dauermagneten 4 sowie ein Joch mit einem ersten Schenkel 6 und einem zweiten Schenkel 7 auf. Das Joch ist in diesem Fall zweistückig, mit separaten Schenkel 6 und 7 aufgebaut. Es kann allerdings auch einstückig ausgeführt sein. Auch kann das Joch nur einen Schenkel aufweisen. Jede Ausgestaltung ist hier denkbar, so lange ein geschlossener Magnetkreis bzw. Magnetfluss realisierbar ist.
Im unbestromten Zustand stellt sich im Joch aufgrund des Dauermagneten 4 ein magnetischer Fluss Φ ein, der ausreichend groß dimensioniert ist, um den Anker 2 an den Enden der beiden Schenkel 6 und 7 gegen die entgegengesetzt gerichtete Kraft einer Feder 31 zu halten.
Zur Erfassung der Spannungsdifferenz ∆U bzw. Stromdifferenz, welche auf einen Fehlerstrom schließen lässt, ist auf dem ersten Schenkel 6 eine erste Erregerwicklung 8 angeordnet, welche an die Anschlüsse des ersten Messwiderstands 14 angeschlossen ist. Auf dem zweiten Schenkel 7 ist eine zweite Erregerwicklung 9 angeordnet, welche an die Anschlüsse des zweiten Messwiderstands 24 angeschlossen ist. Aufgrund der am ersten Messwiderstand 14 anliegenden Spannung U₁ bzw. durch den Strom durch die erste Erregerwicklung 8 wird im ersten Schenkel 6 des Jochs ein magnetischer Fluss Φ₁ erzeugt; ebenso erzeugt die am zweiten Messwiderstand 24 anliegende Spannung U₂ bzw. durch den Strom durch die zweite Erregerwicklung 9 wird ein magnetischen Fluss Φ₂ im zweiten Schenkel 7 des Jochs erzeugt. Dabei sind für den Gleichstromfall (bzw. für allstromsensitive Fälle) die Erregerwicklungen 8 und 9 elektrisch derart an den jeweiligen Messwiderstand 14 bzw. 24 angeschlossen bzw. derart gepolt, dass die beiden induzierten magnetischen Flüsse Φ₁ und Φ₂ im magnetischen Kreis einander entgegengesetzt orientiert sind. Dadurch heben sich im fehlerfreien Betrieb die aufgrund der Beziehung U₁ = U₂ von den Spannungen U₁ und U₂ im Joch erzeugten magnetischen Flüsse Φ₁ und Φ₂ einander auf – der Anker 2 wird folglich weiterhin an den Enden der beiden Schenkel 6 und 7 gehalten.
Im Falle eines Fehlerstroms I_F fließt verbraucherseitig ein Strom gegen Erde ab, so dass der über die Rückleitung 20 zurückfließende Strom I₂ kleiner ist als der über die Hinleitung 10 geführte Strom I₁. Es gilt: I₁ > I₂
Da die ohmschen Widerstandswerte R1 und R2 der beiden Messwiderstände 14 und 24 identisch dimensioniert sind, folgt hieraus unmittelbar, dass die Spannung U₂ gegenüber U₁ im Falle eines Fehlerstroms I_F entsprechend absinkt. Folglich gilt die Beziehung: U₁ > U₂
Liegt an dem zweiten Messwiderstand 24 eine geringere Spannung U₂ an, so folgt daraus, dass über die zweite Erregerwicklung 9 auch ein geringerer magnetischer Fluss Φ₂ induziert wird. Folglich gilt im Falle eines Fehlerstroms: Φ₁ > Φ₂
Ist der über die erste Erregerwicklung 8 erzeugte Magnetfluss Φ₁ größer als der über die zweite Erregerwicklung 9 induzierte Magnetfluss Φ₂, so wird der Magnetfluss Φ geschwächt, der magnetische Kreis des Magnetauslösers 5 ist damit aus dem Gleichgewicht.
Diese Änderung des Magnetflusses bzw. die Magnetflussdifferenz zum Magnetfluss des Permanentmagneten für den Gleichstromfall bzw. die Magnetflussdifferenz für den Wechselstromfall wird nun durch eine Sensorwicklung 41 erfasst. Die Sensorwicklung 41 ist mit einer in 2 nicht dargestellten Steuereinheit 61 verbunden. Diese vergleicht die ermittelte Magnetflussdifferenz mit einer ersten Schwellwert und bei dessen Überschreitung wird ein Auslösestrom auf die Sensorwicklung 41 gegeben, so dass ein höherer dritter Magnetfluss bzw. eine Minderung des Magnetflusses Φ erzeugt wird, der so groß ist, dass ein Auslösen des Magnetauslösers bewirkt wird, so dass mindestens ein Schaltkontakt öffnet. Beispielsweise wird ein dritter Magnetfluss erzeugt bzw. der Magnetfluss Φ so geschwächt, dass die magnetische Haltekraft nicht mehr ausreicht um den Anker 2 gegen die Kraft der Feder 31 zu halten. Eine Auslenkung des Ankers 2 bewirkt, dass infolgedessen die Schaltmechanik 3 ausgelöst wird, wodurch die Schaltkontakte 13 und 23 geöffnet werden.
Beispielsweise kann die Magnetflussdifferenz bei Wechselströmen direkt durch den in der Sensorwicklung 41 induzierten Strom ermittelt werden. Bei Gleichströmen kann durch einen in der Sensorwicklung bzw. Sensorspule 41 fließenden Wechselstrom, der durch die Steuereinheit 61 eingeprägt wird, beispielsweise durch einen Oszillator, eine Änderung des Magnetflusses bzw. Magnetflussdifferenz ermittelt werden. Durch Filter in der Steuereinheit 61 können Magnetflussdifferenzen sowohl für Gleichstromfälle als auch Wechselstromfälle ermittelt werden, so dass eine allstromtaugliche Anordnung realisierbar ist.
3 zeigt eine Anordnung gemäß 2 mit dem Unterschied, dass der erste und zweite Messwiderstand 14, 24 nicht vorgesehen sind, sondern stattdessen die erste und zweite Leitung 10, 20 direkt eine Erregerwicklung bilden, indem sie durch den Magnetauslöser 5, genauer durch das Joch, beispielsweise mit den beiden Schenkeln 6, 7, geführt sind. Die beiden Leiter bilden somit direkt die Erregerwicklung 8, 9. Im gezeichneten Fall gemäß 3 haben die Erregerwicklungen elektrisch jeweils eine halbe Windung.
Des Weiteren weist der Magnetauslöser 5 eine Auslösewicklung 42 auf. Diese ist auf dem Joch, im Beispiel auf dem ersten Schenkel 6 angeordnet. Diese ist ebenfalls mit der nicht in 3 dargestellten Steuereinheit 61 verbunden. In diesem Beispiel wird der Auslösestrom der Steuereinheit 61 nicht auf die Sensorwicklung 41, sondern auf die Auslösewicklung 42 gegeben. Der dadurch erzeugte Magnetfluss bzw. die Schwächung des Magnetflusses Φ bewirkt ein Auslösen des Magnetauslösers, indem beispielsweise der Anker 2 abhebt, d.h. der Magnetkreis des Magnetauslösers 5 geöffnet wird. Über die Schaltmechanik 3 kann ein Öffnen der Kontakte 13, 23 erfolgen.
4 zeigt eine Anordnung gemäß 2 mit dem Unterschied, dass auch hier der Magnetauslöser 5 eine Auslösewicklung 42 aufweist. Im Beispiel auf dem Joch, im Besonderen auf dem ersten Schenkel 6.
Die Erregerwicklungen, die Sensorwicklung sowie gegebenenfalls die Auslösewicklung können sich an jeder Stelle im Magnetauslöser befinden. Die Darstellungen mit dem ersten und zweiten Schenkel sind nur beispielhaft gewählt. Für den Gleichspannungsfall ist ferner lediglich der Wicklungssinn bzw. Magnetflusssinn entscheidend, der durch die Polarität der Gleichspannung vorgegeben bzw. an der Wicklung durch Änderung der Anschlusspolarität gegebenenfalls geändert bzw. angepasst werden kann.
5 zeigt eine Anordnung gemäß 2 mit dem Unterschied, dass der Magnetauslöser 5 ein einstückiges Joch aufweist. Des Weiteren ist kein Permanentmagnet 4 vorgesehen. An Stelle des Permanentmagneten 4, der durch seinen Magnetfluss Φ den Anker 2 anzieht, ist eine zweite bzw. eine zweite und dritte Feder 32, 33 vorgesehen. Diese drücken den Anker 2 an das Joch des Magnetauslösers 5. Wird ein Auslösestrom auf die Sensorwicklung 41 gegeben, erfolgt durch den Magnetfluss eine Abstoßung des Ankers 2 und damit eine Auslösung des Magnetauslösers, wodurch über beispielsweise die Schaltmechanik 3 ein Öffnen der Schaltkontakte 13, 23 bewirkt wird.
In der 5 kann auf dem Joch auch ferner eine Auslösespule 42 angeordnet sein. Die Erregerspulen 8, 9 können auf jedem Abschnitt des Jochs angeordnet sein, wie bereits dargelegt.
6 zeigt eine schematische Anordnung mit einem Versorgungsnetz 60 und einem Verbraucher 50, zwischen denen eine erfindungsgemäße Anordnung vorgesehen ist. Der Magnetauslöser 5 nebst Leitungen 10, 20 sind dabei in einer Summenstromeinheit 63 zusammen gefasst. Diese steht in Wirkverbindung mit den Kontakten 13, 23. Die Summenstromeinheit 63 weist erfindungsgemäß eine Sensorwicklung 41 und eine Auslösewicklung 42 auf. Die Sensorwicklung 41 ist mit der Steuereinheit 61 verbunden. Die Auslösewicklung 42 ist ebenfalls mit der Steuereinheit 61 verbunden. In 6 ist eine weitere beispielhafte Anschaltung der Auslösewicklung 42 mit einem Widerstand R, einem Thyristor und einem Kondensator gezeigt. Der Gate-Anschluss des Thyristor ist dabei mit der Steuereinheit 61 verbunden.
Die Steuereinheit 61 ist wiederum mit einem Netzteil 62 zur Energieversorgung verbunden, das wiederum mit der ersten und zweiten Leitung 10, 20 versorgungsnetzseitig 60 verbunden ist.
7 zeigt eine Anordnung gemäß 6 mit dem Unterschied, dass die Auslösewicklung 42 mit dem Netzteil 62 verbunden ist, beispielsweise mittels eines Transistor, Thyristor, Triac oder anderem Schaltelement, dessen Steueranschluss wiederum mit der Steuereinheit 61 verbunden ist. So kann im Fehlerfall ein Auslösestrom auf die Auslösewicklung 42 gegeben werden.
Die Steuereinheit 61 weist weitere Baugruppen auf, wie einen Verstärker 71, ein Filter 72 – wie beispielsweise ein Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass-Filter oder Bandsperre, einen Analog-Digital-Umsetzer 73, einen Mikroprozessor 74 oder/und einen Speicher 75.
Der Magnetauslöser 5, insbesondere das Joch, besteht vorteilhafterweise aus ferromagnetischen Material.
Im Folgenden soll die Erfindung nochmals mit anderen Worten erläutert werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen dass ein Haltemagnet bzw. Magnetauslöser auch als Summenstromwandler verwendet wird. Insbesondere für Fehlerstromschutzschalter in Niederspannungsnetzen. Dabei verwenden die Funktionsteile Haltemagnet und Summenstromsensor einen gemeinsamen Magnetkreis mit ferromagnetischem Kern. Eingesetzt werden kann diese Erfindung sowohl für Wechselspannungs- als auch Gleichspannungs-Anwendungen, wie in derartigen Niederspannungsnetzen.
In 3 ist eine zweipolige Anordnung, wie in einem Fehlerstromschutzschalter, mit den Funktionsbaugruppen (Primär) Leitungen, Schaltkontakte/Kontaktsystem, Schaltschloss, Haltemagnet und Summenstromwandler dargestellt. Die Besonderheit liegt in der Ausführung des Magnetkreises. Bei diesen sind die (Primär-)Leitungen direkt durch den Magnetkreis geführt. Es ist mindestens eine Sensorwicklung vorgesehen. Alternativ dazu eine Auslösewicklung.
Die Sensorwicklung dient der Erfassung des Summenstroms (sinusförmiger Wechselstrom, pulsförmiger Strom und/oder glatter Gleichstrom) durch den elektrischen Auslösekreis/die Steuereinheit.
Die Auslösewicklung dient in diesem Beispiel den beiden Funktionen: a) interne Testfunktion = ‚Test‘ und b) der Auslösefunktion = ‚Trip‘.
Die Funktion der Auslösewicklung lässt sich auch in einer Wicklung, beispielsweise der Sensorwicklung mit realisieren, d.h. zusammenfassen.
Der besondere Vorteil der Erfindung ist die Verwendung nur eines gemeinsamen Magnetkreises für mindestens zwei Funktionen Auslöse/Haltemagnetkreis und Summenstromwandler. Somit lassen sich Platz- und Kosten einsparen. Ein weiterer Vorteil ist die Steigerung der Gerätezuverlässigkeit, da weniger Bauteile verwendet werden müssen, inklusive Verbindungsleitungen. Desweiteren gibt es die Möglichkeit den Auslösevorgang bei Aktivierung der Auslösewicklung live über die Sensorwicklung zu überwachen, um so ein zusätzliches Maß an Sicherheit einzubringen. Dabei erfasst die Sensorwicklung den Auslösevorgang von Ansteuerung bis zum Abheben des Ankers des Haltemagnetkreise/Magnetauslösers, welches den Magnetkreis und somit die Induktion an der Sensorwicklung unterbricht.
Die Resthaltekraft des Ankers am Haltemagneten/Magnetauslöser ist so stark ausgebildet, dass die Überwindung (als Auslösung) nur durch Aktivierung eines Energieeintrages an der Auslösewicklung bzw. Sensorwicklung erfolgt. Eine Auslösung rein infolge Magnetflusserzeugung/Induktion hervorgerufen durch die Primärwicklungen der (Primär-)Leitungen 10, 20 ist ausgeschlossen.
Ein alternativer Aufbau ist in 4 dargestellt. Im Zuge weiterer Platzeinsparungen können die Primärwicklungen mittels Widerstands-Abgriffen erfolgen. Diese Ausführung macht es möglich einen sehr kompakten Aufbau zu realisieren, jedoch wird dazu eine deutlich höhere sensorische Empfindlichkeit/Messgenauigkeit hinsichtlich der Magnetflüsse bzw. Magnetflussdifferenzen der Steuereinheit 61 erforderlich.
In 5 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung mit nur einer Sensorwicklung bzw. Sekundärwicklung gezeigt, sowie dem Verzicht auf einen Dauermagneten zur Realisierung der Resthaltekraft am Anker. Die Resthaltekraft wird alternativ durch eine oder zwei Federn 32, 33 realisiert.
Die erläuterten erfindungsgemäßen Lösungen können als Fehlerstromschutzschalter eingesetzt werden, beispielsweise als Typ 1 + N, 3-phasig, 3 + N, sowie rein Gleichspannung/DC.
Eine Darstellung des elektrischen Prinzips bzw. einer Realisierung ist in 6 dargestellt. Gezeigt ist die Steuereinheit 61, die durch ein Netzteil 62 versorgt wird. Ein Mikroprozessor 74 in der Steuereinheit 61 liest den Summendifferenzstrom über die Sensorwicklung ein und bewertet die Art und Höhe des Summen-(Fehler-)stromes. Der Summenstromsensor ist im Magnetsystem des Haltemagneten/Magnetauslösers angeordnet. Bei Überschreiten einer definierbaren Auslöseschwelle wird eine elektronische Auslösung durch Mikroprozessor 74, beispielsweise mittels Thyristor, bewirkt und die Auslösewicklung 42 bestromt bzw. angesteuert. Durch die Ansteuerung des Auslösewicklung werden in der Folge die Kontakte geöffnet, welches einen Verbraucher bzw. Last 50 von der Versorgung bzw. Quelle 60 trennt.
Eine alternative Darstellung des elektrischen Prinzips bzw. einer Realisierung ist in 7 dargestellt. Darin sind die Funktionsbaugruppen der Steuereinheit 61 ersichtlich. Die Auslösefunktion geschieht hier alternativ über einen bipolaren Transistor, versorgt über das Netzteil.
Die Erfindung kombiniert einen Magnetauslöserkreis mit einer Summenstromwandlerfunktion bei Verwendung eines gemeinsamen Magnetsystems.
In Summe ergeben sich ein kostengünstiger Aufbau, eine höhere Zuverlässigkeit mit verlängerter Lebensdauer, eine Einsparung der Anzahl notwendiger Komponenten und Bauteile, eine Einsparung von Platz im Gerät und eine Erhöhung der Sicherheit durch einen überwachten Auslösevorgang.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Anker
3: Schaltmechanik
4: Dauermagnet
5: Magnetauslöser mit Joch
6: erster Schenkel
7: zweiter Schenkel
8: erste Erregerwicklung
9: zweite Erregerwicklung
10: erste Leitung
11: erste Eingangsklemme
12: erste Ausgangsklemme
13: erster Schaltkontakt
14: erster Messwiderstand
20: zweite Leitung
21: zweite Eingangsklemme
22: zweite Ausgangsklemme
23: zweiter Schaltkontakt
24: zweiter Messwiderstand
31: erste Feder
32: zweite Feder
33: dritte Feder
41: Sensorwicklung
42: Auslösewicklung
50: el. Verbraucher
60: Versorgungsnetz
61: Steuereinheit
62: Netzteil
63: Summenstromeinheit
71: Verstärker
72: Filter
73: Analog-Digital-Umsetzer
74: Mikroprozessor
75: Speicher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4432643 A1 [0002]
DE 102010034001 A1 [0003]

Claims

Anordnung zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen, – bei der in einer ersten Leitung (10) zwischen einer netzseitigen ersten Eingangsklemme (11) und einer verbraucherseitigen ersten Ausgangsklemme (12) ein erster Schaltkontakt (13) angeordnet ist, – bei der in einer zweiten Leitung (20) zwischen einer netzseitigen zweiten Eingangsklemme (21) und einer verbraucherseitigen zweiten Ausgangsklemme (22) ein zweiter Schaltkontakt (23) angeordnet ist, – wobei der erste und der zweite Schaltkontakt (13, 23) in Wirkverbindung mit einem Magnetauslöser (5) stehen, welcher ein Joch aufweist, – wobei das Joch eine erste Erregerwicklung (8) und eine zweite Erregerwicklung (9) aufweist, welche derart aufeinander abgestimmt sind, dass im fehlerstromfreien Betrieb die von den Erregerwicklungen (8, 9) im Joch erzeugten Magnetflüsse (Φ1, Φ2) einander aufheben, – dass die erste Erregerwicklung (8) zumindest einen Teilstrom der ersten Leitung (10) und die zweite Erregerwicklung (9) zumindest einen Teilstrom der zweiten Leitung (20) führt, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch eine Sensorwicklung (41) aufweist, die mit einer Steuereinheit (61) verbunden ist, die derart ausgestaltet ist, dass mittels der Sensorwicklung (41) eine Magnetflussdifferenz ermittelbar ist, bei einer Magnetflussdifferenz, die einen ersten Schwellwert überschreitet, ein Auslösestrom auf die Sensorwicklung gegeben wird, so dass ein Magnetfluss im Magnetauslöser erzeugt wird, der ein Auslösen des Magnetauslösers (5) bewirkt, so dass mindestens ein Schaltkontakt (13, 23) öffnet.
Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch eine Auslösewicklung (42) aufweist und dass der Auslösestrom auf die Auslösewicklung gegeben wird, so dass ein Magnetfluss im Magnetauslöser erzeugt wird, der ein Auslösen des Magnetauslösers (5) bewirkt, so dass mindestens ein Schaltkontakt (13, 23) öffnet.
Anordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung derart ausgestaltet ist, dass die Magnetflussdifferenz eine Auslösung des Magnetauslösers (5) nicht bewirken kann.
Anordnung nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Leitung (10) ein erster Messwiderstand (14) geschaltet ist, dass in der zweiten Leitung (20) ein zweiter Messwiderstand (24) geschaltet ist, dass die erste Erregerwicklung (8) an die Anschlüsse des ersten Messwiderstands (14) angeschlossen ist, dass die zweite Erregerwicklung (9) an die Anschlüsse des zweiten Messwiderstands (24) angeschlossen ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltkontakt (13) und/oder der zweite Schaltkontakt (13) über eine Schaltmechanik (3) betätigbar sind und ein Auslösen der Schaltmechanik (3) über den Magnetauslöser (5) initiierbar ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messwiderstand (14) elektrisch zwischen die erste Eingangsklemme (11) und den ersten Schaltkontakt (13) geschaltet ist, dass der zweite Messwiderstand (24) elektrisch zwischen die zweite Eingangsklemme (21) und den zweiten Schaltkontakt (23) geschaltet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Joch induzierten Magnetflüsse (Φ1, Φ2) durch die Dimensionierung der Messwiderstände (14, 24) und/oder durch die geometrische Gestaltung der Erregerspulen (8, 9) einstellbar sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetauslöser (5) einen Permanentmagneten (4) aufweist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetauslöser (5) einen Anker (2) aufweist, über den die Magnetflüsse des Joch fließen.
Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (2) mit mindestens einer Feder (32, 33) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch weitere Erregerwicklungen aufweist, um zumindest Teilströme eines Dreiphasen-Wechselstromkreises zu führen, so dass Fehlerströme erfasst und abgeschaltet werden können.
Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Netzteil (62) vorgesehen ist, dass einerseits mit der ersten und zweiten Leitung (10, 20) und andererseits mit der Steuereinheit (61) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (61) derart ausgestaltet ist, dass diese einen Filter (72) und einen Analog-Digital-Umsetzer (73) aufweist, mit dem das Signal der Sensorwicklung verarbeitet wird, sowie einen Mikroprozessor (74) mit Speicher (75), der das verarbeite Sensorsignal hinsichtlich des Überschreitens des ersten Schwellwertes prüft, und bei Überschreitung einen elektrischen Strom durch die Sensorwicklung (41) oder die Auslösewicklung (42) fließen lässt.
Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch einem ersten Schenkel (6) und einem zweiten Schenkel (7) aufweist, dass der erste Schenkel (6) eine erste Erregerwicklung (8) und der zweite Schenkel (7) eine zweite Erregerwicklung (9) aufweist, welche derart aufeinander abgestimmt sind, dass im fehlerstromfreien Betrieb die von den Erregerwicklungen (8, 9) im Joch erzeugten Magnetflüsse (Φ1, Φ2) einander aufheben.
Fehlerstromschutzschalter, mit einer Anordnung zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen nach einem der Ansprüche 1 bis 14.