DE102019004089A1 - Fehlerstromschutzeinrichtung bei Gleich-Fehlerströmen - Google Patents

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Abstract

Die beschriebene Fehlerstromschutzeinrichtung dient der Erkennung und daraus folgenden Abschaltung eines elektrischen Stromkreises im Falle eines Gleich-Fehlerstroms.Typischerweise kommen in elektrischen Stromkreisen Fehlerstromschutzschalter vom Typ A zum Einsatz. Diese RCD vom Typ A schützen bei Wechsel- und pulsierende Gleichfehlerströmen. Werden an einem Stromkreis jedoch Anlagen und Geräte angeschlossen, welche elektronische Leistungshalbleiter verwenden (z. B. Wechselrichter, Gleichrichter), können Gleich-Fehlerströme fließen. Diese Gleich-Fehlerströme können zu einer magnetischen Sättigung des im RCD verbauten Ringkerns führen, so dass als Folge der RCD im Fehlerfall verspätet oder auch gar nicht auslöst.Bei der hier beschriebenen Erfindung wird eine Lösung zum Erkennen eines DC-Fehlerstroms und einer daraus folgenden sicheren Abschaltung des Stromkreises beschrieben.Im Stromkreis kommt ein Fehlerstromschutzschalter Typ A zum Einsatz, welcher Wechsel- und pulsierende Gleichstromfehler sicher erkennen und entsprechend abschalten kann. Zwischen dem Fehlerstromschutzschalter Typ A und dem Verbraucher werden nun (in Reihe) eine Messaufnahmeeinheit sowie eine Auslöseeinheit geschaltet. Erkennt diese Messaufnahmeeinheit nun einen Gleich-Fehlerstrom einer gewissen Größe, wird die Auslöseeinheit angetriggert. Die Auslöseeinheit generiert nun einen Wechsel-Fehlerstrom einer gewissen Größe. Dieser Wechsel-Fehlerstrom wiederum lässt den Fehlerstromschutzschalter Typ A, welcher in Reihe zu diesem Stromkreis liegt, auslösen, so dass der Stromkreis nun allpolig vom Netz getrennt ist.Die hier beschriebene Fehlerstromschutzeinrichtung findet bei Stromkreisen Verwendung, an denen als Verbraucher Anlagen und Geräte angeschlossen werden, welche Gleich-Fehlerströme produzieren können. Dies sind z. B. Ladestationen für Elektrofahrzeuge oder Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung von Motoren.

Description

  • Die beschriebene Fehlerstromschutzeinrichtung dient der Erkennung und daraus folgenden Abschaltung eines elektrischen Stromkreises im Falle eines Gleich-Fehlerstroms.
  • Elektrische Stromkreise werden zum Schutz vor gefährlichen Fehlerströmen mit Fehlerstromschutzschaltern (RCD) ausgestattet. Sie dienen dem Schutz von Personen und Tieren gegen einen elektrischen Schlag. Ziel ist es, bei Erkennung von gefährlichen Fehlerströmen (>= 30mA) den Stromkreis hinreichend schnell (<= 0,2sec) abzuschalten, so dass es zu keiner lebensbedrohlichen Gefahr kommen kann. Hierzu werden alle Phasen des Stromkreises einschließlich des Neutralleiters allpolig vom vorgelagerten Netz abgeschaltet.
  • Der zum Einsatz kommende Fehlerstromschutzschalter (RCD) ist als Summenstromwandler ausgeführt. Die zum Schutzschalter gehörenden Leiter (Phasen + Neutralleiter) werden durch einen magnetischen Ringkern geführt. Über eine auf dem Ringkern gewickelte Sekundärwicklung wird der Summendifferenzstrom erfasst. Nach dem magnetischen Prinzip generieren auftretende Differenzströme eine Induktionsspannung in der Sekundärwicklung. Übersteigt diese Induktionsspannung ein gewisses Level, wird eine allpolige mechanische Abschaltung der zugehörigen Hauptstromleiter ausgelöst, so dass der Stromkreis unterbrochen wird.
  • Typischerweise kommen Fehlerstromschutzschalter vom Typ A zum Einsatz, da deren Schutzfunktion für den üblichen Anwendungsfall ausreicht und das Produkt günstig und in großen Stückzahlen auf dem Markt erhältlich ist. Diese RCD vom Typ A schützen bei Wechsel- und pulsierende Gleichfehlerströmen. Spezifiziert wird dieser RCD Typ A in der IEC 61008 und der IEC 61009.
  • Werden am Stromkreis jedoch Anlagen und Geräte angeschlossen, welche elektronische Leistungshalbleiter verwenden (z. B. Wechselrichter, Gleichrichter), können Gleich-Fehlerströme fließen. Diese DC-Fehlerströme können den verwendeten Ringkern in eine magnetische Sättigung bringen. Als Folge dieser Sättigung kann die Schutzfunktion des RCD bei parallel auftretenden AC-Fehlerströmen negativ beeinflusst werden, so dass der Fehlerstromschutzschalter Typ A einen höheren Ansprechstrom bzw. eine verzögerte Abschaltzeit benötigt. Als Grenze für das „Erblinden“ des RCD wird ein Gleich-Fehlerstrom von >= 6 mA angesetzt.
  • In der DE 199 43 801 A1 wird eine Fehlerstromschutzeinrichtung beschrieben, welche eine kombinierte Erfassung von Wechsel- und Gleichstromfehlern bietet. In der Praxis findet dies Anwendung beim Fehlerstromschutzschalter Typ B. Diese RCD besitzen zusätzlich im Ringkern einen Hall-Sensor, welche Gleich-Fehlerströme erkennen können. Somit ist dieser RCD in der Lage, sowohl bei Wechselströmen, pulsierenden Wechselströmen, Gleichströmen und auch pulsierenden Gleichströmen sicher abzuschalten.
    Jedoch sind diese RCD teuer und in der Standard-Gebäudeinstallation selten anzutreffen.
  • In der EP 25 71 128 B1 wird ein Verfahren zur Erkennung von Gleichfehlerströmen und einer daraus folgenden Abschaltung des Stromkreises beschrieben. In Reihe zum vorhandenen Fehlerstromschutzschalter Typ A wird eine Überwachungs- und Abschalteinheit geschaffen. Bei Erkennen eines unzulässig hohen DC-Fehlerstroms lässt die Auswerteeinheit ein in Reihe zum Stromkreis liegendes Relais abfallen, so dass im Störfall der Stromkreis sicher getrennt ist.
  • Bei der hier beschriebenen Erfindung wird eine Lösung zum Erkennen eines DC-Fehlerstroms und einer daraus folgenden sicheren Abschaltung des Stromkreises beschrieben.
  • Es wird zugrunde gelegt, dass der Stromkreis mit einem Fehlerstromschutzschalter Typ A versehen ist, welcher Wechsel- und pulsierende Gleichstromfehler sicher erkennen und entsprechend abschalten kann. Am Ende des Stromkreises befindet sich ein Verbraucher, welcher aufgrund seiner Ausprägung einen Gleich-Fehlerstrom generieren kann (so, wie es z. B. bei Gleich- und Wechselrichtern vorkommen kann).
    Zwischen dem Fehlerstromschutzschalter Typ A und dem Verbraucher werden nun (in Reihe) eine Messaufnahmeeinheit sowie eine Auslöseeinheit geschaltet. Die Messaufnahmeeinheit misst den Summendifferenzstrom aller zu kontrollierenden Leitern (Phasen und Neutralleiter). In ihrer Wirkungsweise ist sie so aufgebaut, dass sie nur Gleich-Differenzströme betrachtet. Erkennt diese Messaufnahmeeinheit nun einen Gleich-Fehlerstrom einer gewissen Größe, wird die Auslöseeinheit angetriggert. Die Auslöseeinheit generiert nun einen Wechsel-Fehlerstrom einer gewissen Größe.
  • Dieser Wechsel-Fehlerstrom wiederum lässt den Fehlerstromschutzschalter Typ A, welcher in Reihe zu diesem Stromkreis liegt, auslösen, so dass der Stromkreis nun allpolig vom Netz getrennt ist.
  • Die Messaufnahmeeinheit ist so konstruiert, dass selbst kleinste DC-Fehlerströme erkannt werden können. Ab einer DC-Fehlerstromhöhe von 6 mA wird die Auslöseeinheit angestoßen. Innerhalb der Auslöseeinheit wird mit einem mechanischen Relais bzw. alternativ einem elektronischen Relais (z. B. Transistor) ein Widerstand zwischen einer Phase und PE geschaltet, so dass ein gewollter AC-Fehlerstrom durch den Stromkreis fließt. Der Widerstand ist so gewählt, dass der daraus generierte Fehlerstrom sicher den vorgelagerten RCD zum Auslösen bringt.
  • Zur Funktionsüberprüfung des Gesamtsystems kann der Aufbau optional mit einer Prüfeinrichtung ausgestattet werden. Diese Prüfeinrichtung generiert gewollt einen 6 mA DC-Fehlerstrom in der Messaufnahmeeinheit, so dass dann die Auslöseinheit und nachgelagert der RCD Typ A auslösen. Diese Prüfung kann automatisiert oder auch manuell (z. B. durch Drücken eines Prüftasters) ausgelöst werden.
  • Mit dieser Lösung ist man in der Lage, äußerst kostengünstig eine sichere Erkennung und eine daraus folgende Netztrennung zu generieren. Typischerweise ist der für die Abschaltung erforderliche Fehlerstromschutzschalter Typ A schon in der Gebäudeverteilung vorhanden. Gleichzeitig wird aufgrund der Auslösung des RCD der Benutzer direkt auf einen Fehlerstrom hingewiesen. Somit erfolgen die Signalisierung und auch die spätere Wiedereinschaltung des Stromkreises direkt von diesem RCD aus.
  • Die zeigt beispielhaft den Aufbau des Systems. Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Variationen in der Anordnung, der Darstellung und der Funktionsweise sind möglich.
  • Der Energieversorger stellt über einen Trafo (1) das Netz (2) den Verbrauchern zur Verfügung. Das Netz (2) besteht aus den Phasen L1, L2 und L3 sowie dem Neutralleiter N. In der Hausverteilung ist ein Fehlerstromschutzschalter Typ A (3) verbaut. Dieser Fehlerstromschutzschalter (3) dient zur allpoligen Abschaltung des Stromkreises, wenn ein unzulässig hoher Fehlerstrom erkannt wird. Am Ende des Stromkreises befindet sich der Verbraucher (7), welcher aufgrund seiner integrierten elektronischen Halbleiter im Fehlerfall einen DC-Fehlerstrom generieren kann. Zwischen dem Fehlerstromschutzschalter (3) und dem Verbraucher (7) ist in Reihe die Messaufnahmeeinheit (4) integriert. Diese Messaufnahmeeinheit (4) misst den DC-Fehlerstrom, welcher im Fehlerfall durch den Verbraucher (7) generiert wird. Übersteigt der von der Messaufnahmeeinheit (4) erkannte DC-Fehlerstrom eine gewisse Grenze, wird die Auslöseeinheit (5) angestoßen. Die Auslöseeinheit (5) generiert einen AC-Fehlerstrom, indem sie einen Leiter über einen Widerstand mit dem Schutzleiter (6) verbindet. Der generierte AC-Fehlerstrom lässt den im Stromkreis verwendeten Fehlerstromschutzschalter (3) auslösen, so dass der Stromkreis allpolig abgeschaltet wird.
  • 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 19943801 A1 [0006]
    • EP 2571128 B1 [0007]

Claims (10)

  1. Eine Fehlerstromschutzeinrichtung in einem Stromkreis, eingesetzt bei Verbrauchern, welche im Fehlerfall einen Gleich-Fehlerstrom generieren können, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkreis aus einem Fehlerstromschutzschalter Typ A besteht und in Reihe hierzu eine Messaufnahmeeinheit zur Erfassung eines Gleich-Fehlerstroms vorhanden ist, wobei diese Messaufnahmeeinheit bei Erkennung eines unzulässig hohen Gleich-Fehlerstroms eine Auslöseeinheit ansteuert, welche einen Wechsel-Fehlerstrom generiert, welcher den im Stromkreis vorhandenen Fehlerstromschutzschalter abschalten lässt.
  2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Fehlerstromgrenze zum Auslösen der Auslöseeinheit so niedrig gewählt ist, dass der im Stromkreis befindliche Fehlerstromschutzschalter sicher auslöst.
  3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Auslöseeinheit verbaute Schalter sowohl mechanisch als auch elektronisch ausgeführt sein kann.
  4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Auslöseeinheit generierte AC-Fehlerstrom so hoch ist, dass der im Stromkreis befindliche Fehlerstromschutzschalter sicher und schnell auslöst.
  5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinheit den benötigen Strom zur Generierung des AC-Fehlerstrom von einer oder auch mehreren Leitern des Stromkreises entnehmen kann.
  6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinheit mit PE verbunden ist, so dass der generierte AC-Fehlerstrom zur Erde abfließen kann.
  7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine zusätzliche Prüfeinrichtung besitzt, welche im Prüfmodus gewollt einen DC-Fehlerstrom generiert, welcher dann die Abschaltkette auslöst und somit eine Funktionsüberprüfung der Fehlerstromschutzeinrichtung erfolgen kann.
  8. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messaufnahmeeinheit und Auslöseeinheit räumlich getrennt als auch räumlich miteinander verbunden aufgebaut sein können.
  9. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerstromschutzeinrichtung bei Ladestationen von E-Fahrzeugen zum Einsatz kommt.
  10. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerstromschutzeinrichtung bei Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung von Lüftern und Pumpen zum Einsatz kommt.
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