DE102023202519A1 - Residual current protection circuit for detecting direct current - Google Patents
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Abstract
Bei Fehlerstrom-Schutzschaltungen zur Detektion eines Gleichstroms mit Hilfe eines Stromwandlers (1), wobei durch Einwirkung eines oszillierenden Magnetfeldes auf den Wandler (1) im Falle eines in einem überwachten Stromkreis auftretenden DC-Fehlerstroms ein Ausgleichstrom induziert wird, der im Hinblick auf das Erfordernis der Unterbrechung des Stromkreises ausgewertet wird, kann es wegen einer möglichen Magnetisierung des Wandlerkerns zu Fehlauslösungen kommen. Deswegen wird vorgeschlagen, derartige Schutzschaltungen, die mit einem Stromwandler (1), einem Erreger-Schaltkreis (31) zur Erzeugung einer oszillierenden Erregerspannung und einer Induktivität (32) zur Induktion eines Magnetfelds in dem Stromwandler (1) und einem Messwiderstand (33) gebildet sind, mit einem weiteren Widerstand (38) und einem Schalter (39) weiterzubilden, wobei der weitere Widerstand (38) parallel zu dem Messwiderstand (38) angeordnet ist und mittels des Schalters (39) zuschaltbar ist. Mit dieser Schaltung lässt sich eine korrektere Berechnung des Fehlerstroms durchführen.In residual current protection circuits for detecting a direct current with the aid of a current transformer (1), wherein the action of an oscillating magnetic field on the transformer (1) in the event of a DC residual current occurring in a monitored circuit induces a compensating current which is evaluated with regard to the need to interrupt the circuit, false triggering can occur due to possible magnetization of the transformer core. It is therefore proposed to further develop such protective circuits, which are formed with a current transformer (1), an excitation circuit (31) for generating an oscillating excitation voltage and an inductance (32) for inducing a magnetic field in the current transformer (1) and a measuring resistor (33), with a further resistor (38) and a switch (39), wherein the further resistor (38) is arranged parallel to the measuring resistor (38) and can be switched on by means of the switch (39). This circuit allows a more accurate calculation of the fault current.
Description
Die Erfindung betrifft eine Fehlerstrom-Schutzschaltung zur Detektion eines Gleichstroms und ein Verfahren zur Detektion eines Gleichstroms mittels einer erfindungsgemäßen Fehlerstrom-Schutzschaltung.The invention relates to a residual current protection circuit for detecting a direct current and a method for detecting a direct current by means of a residual current protection circuit according to the invention.
Fehlerstrom-Schutzschalter bzw. Differenzstrom-Schutzschalter werden häufig auch RCDs (vom Englischen „residual current detector“) bezeichnet. Sie kommen zum Schutz vor Fehlerströmen zum Einsatz, die insb. für Bediener oder Nutzer einer elektrischen Anlage gefährlich werden können. Ein RCD, der (auch) bei Gleichstrom arbeitet, wird üblicherweise als „RCD Typ B“ bezeichnet. Insbesondere für RCDs vom Typ B ist es herausfordernd, das richtige Ansprechverhalten bzw. Auslöseverhalten zu garantieren, d.h. einerseits sicher bei allen gefährlichen Fehlerströmen abzuschalten, aber auf der anderen Seite fälschliches Auslösen (im Englischen ist hier der Ausdruck „nuisance tripping“ üblich) zu vermeiden.Residual current circuit breakers or differential current circuit breakers are often also referred to as RCDs (residual current detectors). They are used to protect against residual currents that can be dangerous, especially for operators or users of an electrical system. An RCD that (also) works with direct current is usually referred to as a "RCD type B". It is particularly challenging for type B RCDs to guarantee the correct response or tripping behavior, i.e. on the one hand to switch off safely in the event of all dangerous residual currents, but on the other hand to avoid false tripping (the term "nuisance tripping" is common in English).
Diesbezügliche technische Verbesserungen für RCDs vom Typ B sind z.B. in den Druckschriften
Es besteht aber ein Bedarf, das Auslöseverhalten von RCDs vom Typ B auch im Hinblick auf andere Effekten zu verbessern.However, there is a need to improve the tripping behaviour of type B RCDs also with regard to other effects.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, hierzu beizutragen.It is the object of the invention to contribute to this.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Fehlerstrom-Schutzschaltung zur Detektion eines Gleichstroms nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zur Detektion eines Gleichstroms mittels einer erfindungsgemäßen Fehlerstrom-Schutzschaltung nach Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by a residual current protection circuit for detecting a direct current according to
Erfindungsgemäß wird eine Fehlerstrom-Schutzschaltung (Schutzschalter) zur Detektion eines Gleichstroms mit Hilfe eines Stromwandlers vorgeschlagen. Typischerweise ist eine derartige Fehlerstrom-Schutzschaltung Teil eines Schutzschalters, z.B. eines RCDs vom Typ B. Dabei wird durch Einwirkung eines oszillierenden Magnetfeldes auf den Wandler im Falle eines in einem überwachten Stromkreis auftretenden DC-Fehlerstroms ein Ausgleichstrom induziert, der im Hinblick auf das Erfordernis der Unterbrechung des Stromkreises (ggf. nach vorhergehender Bearbeitung, z.B. durch Filterung und Verstärkung) ausgewertet wird. Insbesondere kann diese Fehlerstrom-Schutzschaltung nach dem Fluxgate-Prinzip arbeiten.According to the invention, a residual current protection circuit (circuit breaker) is proposed for detecting a direct current using a current transformer. Typically, such a residual current protection circuit is part of a circuit breaker, e.g. a type B RCD. In the event of a DC residual current occurring in a monitored circuit, the effect of an oscillating magnetic field on the converter induces a compensating current, which is evaluated with regard to the need to interrupt the circuit (if necessary after prior processing, e.g. by filtering and amplification). In particular, this residual current protection circuit can work according to the fluxgate principle.
Die erfindungsgemäße Fehlerstrom-Schutzschaltung umfasst einen Stromwandler, einen Erreger-Schaltkreis zur Erzeugung einer oszillierenden Erregerspannung einer Induktivität zur Induktion eines Magnetfelds in dem Stromwandler und einen ersten Widerstand (auch teilweise als „Messwiderstand“ tituliert). Diese können z.B. in Serie angeordnet sein. Erfindungsgemäß ist die Schutzschaltung weiter gebildet ist mit einem zweiten Widerstand und einem Schalter (z.B. ein mechanischer Schalter wie z.B. ein Relais oder ein elektronischer Schalter wie z.B. ein Mosfet, wobei der zweite Widerstand parallel zu dem ersten Widerstand angeordnet und mittels des Schalters zuschaltbar ist.The residual current protection circuit according to the invention comprises a current transformer, an excitation circuit for generating an oscillating excitation voltage of an inductance for inducing a magnetic field in the current transformer and a first resistor (also sometimes referred to as a "measuring resistor"). These can be arranged in series, for example. According to the invention, the protection circuit is further developed with a second resistor and a switch (e.g. a mechanical switch such as a relay or an electronic switch such as a MOSFET, wherein the second resistor is arranged parallel to the first resistor and can be switched on by means of the switch.
Die Erfindung zielt auf die Kompensation von einer ungewollten Magnetisierung des Wandlers bzw. des Wandlerkerns. Durch Zuschaltung des zweiten Widerstands lässt sich die Stärke des auf den Wandler einwirkenden Magnetfelds verändern. Dadurch lässt sich mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Wert für einen aufgetretenen Fehlerstrom berechnen, bei dem der Effekt einer ungewollten Magnetisierung wenigstens teilweise kompensiert ist.The invention aims to compensate for unwanted magnetization of the converter or the converter core. By connecting the second resistor, the strength of the magnetic field acting on the converter can be changed. This makes it possible to calculate a value for a fault current that has occurred using a method according to the invention, in which the effect of unwanted magnetization is at least partially compensated.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Schutzschaltung zudem gebildet mit einer Recheneinheit bzw. Logikeinheit (typischerweise MCU) zur Auswertung des detektierten bzw. erfassten Stroms, welche zusätzlich dafür ausgestaltet ist, durch ein über einen Ausgang ausgebbares Steuersignal den Schalter zum Öffnen und Schließen zu veranlassen.Preferably, the protective circuit according to the invention is also formed with a computing unit or logic unit (typically MCU) for evaluating the detected or recorded current, which is additionally designed to cause the switch to open and close by means of a control signal that can be output via an output.
Für ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem das Öffnen bzw. Schließen des Schalters an einen Vorzeichenwechsel der Erregerspannung gekoppelt ist, kann der Erreger-Schaltkreis mit einem Eingang der Recheneinheit verbunden sein und die Schutzschaltung dafür ausgebildet sein, durch den Erreger-Schaltkreis über den Eingang eine Information bereitzustellen, aus der ein Vorzeichenwechsel der Erregerspannung ermittelbar ist. Diese Information kann z.B. ein binäres Signal sein, das das Vorzeichen bzw. die Vorzeichenwechselrichtung kodiert. Es ist aber auch denkbar, dass ein analoges Signal übermittelt wird, welches ein Maß für die Spannung selber ist, und der Vorzeichenwechsel durch die Recheneinheit mittels Nulldurchgangsdetektion bestimmt wird. Evtl. sind aber auch Lösungen möglich, die ohne die Verbindung zwischen Erreger-Schaltkreis und Eingang der Recheneinheit auskommen. So kann evtl. über den induzierten und durch die Recheneinheit ausgewerteten detektierten Ausgleichsstrom auf den Zeitpunkt eines Vorzeichenwechsel der Erregerspannung geschlossen werden.For a method according to the invention, in which the opening or closing of the switch is coupled to a change in the sign of the excitation voltage, the excitation circuit can be connected to an input of the computing unit and the protective circuit can be designed to provide information via the input through the excitation circuit from which a change in the sign of the excitation voltage can be determined. This information can be, for example, a binary signal that encodes the sign or the direction of the change in sign. However, it is also conceivable that an analog signal is transmitted which is a measure of the voltage itself and the change in sign is determined by the computing unit by means of zero crossing detection. However, solutions may also be possible that do not require a connection between the excitation circuit and the input of the computing unit. In this way, the time of a change in the sign of the excitation voltage can be determined via the induced compensating current detected and evaluated by the computing unit.
Bei einer erfindungsgemäß ausgestaltete Fehlerstrom-Schutzschaltung mit einer Recheneinheit, kann diese dafür ausgebildet sein, ein im Folgenden beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.In a residual current protective circuit designed according to the invention with a computing unit, the latter can be designed to carry out a method according to the invention described below.
Es wird ein Verfahren zur Detektion eines Gleichstroms mittels einer erfindungsgemäßen Fehlerstrom-Schutzschaltung vorgeschlagen, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden:
- a) Öffnen des Schalters bei einem ersten Vorzeichenwechsel der Erregerspannung,
- b) Schließen des Schalters bei dem auf den ersten folgenden Vorzeichenwechsel der Erregerspannung,
- c) Detektieren eines ersten induzierten Ausgleichstroms,
- d) Öffnen des Schalters bei einem zweiten Vorzeichenwechsel der Erregerspannung, wobei der zweite Vorzeichenwechsel dem ersten entgegengesetzt ist,
- e) Schließen des Schalters bei dem auf den zweiten folgenden Vorzeichenwechsel der Erregerspannung,
- f) Detektieren eines zweiten induzierten Ausgleichstroms und
- g) Bilden eines Mittelwerts (vorzugsweise des arithmetischen Mittelwerts) des ersten und zweiten induzierten Ausgleichstroms.
- a) Opening the switch at the first change of sign of the excitation voltage,
- b) Closing the switch at the change of sign of the excitation voltage following the first one,
- c) detecting a first induced compensating current,
- d) opening the switch when the excitation voltage changes sign for a second time, the second change of sign being opposite to the first,
- e) closing the switch at the change of sign of the excitation voltage following the second one,
- f) detecting a second induced compensating current and
- g) forming an average value (preferably the arithmetic mean value) of the first and second induced compensating currents.
Durch Zuschaltung des zweiten Widerstandes (Schließen des Schalters) erhöht sich die Feldstärke des auf den Wandler einwirkenden Magnetfelds. Durch geeignete Wahl der Größe des zweiten Widerstandes kann dadurch eine Magnetisierung des Wandlerkerns herbeigführt werden, die nach Wegschalten des zweiten Widerstands zu einem Ausgleichsstrom führt. Die Magnetisierung mit anschließender Bestimmung des Ausgleichstroms wird für unterschiedliche Magnetfeld-Polaritäten durchgeführt und anschließend der Mittelwert gebildet. Wenn kein Fehlerstrom vorliegt, ergibt sich unter idealen Bedingungen der Mittelwert null. Bei einer anfänglichen Magnetisierung des Kerns wird durch diese Methode der scheinbare Fehlerstrom deutlich reduziert.By connecting the second resistor (closing the switch), the field strength of the magnetic field acting on the converter increases. By choosing the appropriate size of the second resistor, the converter core can be magnetized, which leads to a compensating current when the second resistor is switched off. The magnetization and subsequent determination of the compensating current is carried out for different magnetic field polarities and the average value is then calculated. If there is no fault current, the average value is zero under ideal conditions. If the core is initially magnetized, this method significantly reduces the apparent fault current.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Stromkreis auf einen DC-Fehlerstrom in herkömmlicher Weise überwacht. Bei Detektion des Auftretens eines vermeintlichen Fehlerstroms (d.h. eines induzierten Stroms, der evtl. auch durch Wandlerkernmagnetisierung verursacht sein kann) werden dann die oben angeführten Schritte a) - g) zur Bestimmung eines Wertes für den Fehlerstrom durchgeführt. Der dabei erhaltene Mittelwert von dem ersten und dem zweiten induzierten Ausgleichstrom wird dann als Wert für den Fehlerstrom verwendet. Es kann dann vorgesehen sein, dass überprüft wird, ob der Wert des Fehlerstroms eine Schwelle für den zulässigen Fehlerstrom überschreitet und dass bei Überschreiten der Schwelle ein Signal zur Unterbrechung des Stromkreises ausgegeben wird.According to one embodiment, the circuit is monitored for a DC fault current in a conventional manner. If the occurrence of a suspected fault current (i.e. an induced current, which may also be caused by converter core magnetization) is detected, the above-mentioned steps a) - g) are then carried out to determine a value for the fault current. The average value obtained from the first and second induced compensating current is then used as the value for the fault current. It can then be provided that a check is carried out to determine whether the value of the fault current exceeds a threshold for the permissible fault current and that, if the threshold is exceeded, a signal is issued to interrupt the circuit.
Dabei kann die Überwachung des Stromkreises auf einen DC-Fehlerstrom mittels Erfassens eines induzierten Ausgleichsstroms und Überprüfung, ob dieser einen Schwellenwert für die Auslösung überschreitet, erfolgen. Die Bestimmung eines Wertes für den Fehlerstrom mit Hilfe der Schritte a) - g) wird dann nur durchgeführt, wenn der Schwellenwert für die Auslösung überschritten ist. Vorzugsweise erfolgt zusätzlich eine Überprüfung auf Überschreiten eines Schwellenwerts für eine sofortige Auslösung und die Bestimmung eines Wertes für den Fehlerstrom mit Hilfe der Schritte wird nur durchgeführt, wenn der Schwellenwert für die sofortige Auslösung nicht überschritten ist. Diese Ausgestaltung basiert auf der Überlegung, dass der mögliche Anteil der Kernmagnetisierung and einem detektierten Fehlerstrom begrenzt ist. Bei einem hohen Fehlerstrom kann man dann darauf schließen, dass der Fehlerstrom die Schwelle für eine Auslösung überschreitet, selbst wenn der Beitrag durch die Wandlerkernmagnetisierung den maximalen Wert hat. Dies wird durch einen zweiten Schwellenwert („Schwellenwert für eine sofortige Auslösung“) abgebildet. In diesem Fall wird vorzugsweise unmittelbar ein Signal zur Unterbrechung des Stromkreises ausgegeben, d.h. es findet keine Mittelwertbildung mittels der Schritte a) - g) statt.The circuit can be monitored for a DC fault current by detecting an induced compensating current and checking whether this exceeds a threshold value for tripping. The determination of a value for the fault current using steps a) - g) is then only carried out if the threshold value for tripping is exceeded. Preferably, a check is also carried out to see if a threshold value for immediate tripping is exceeded and the determination of a value for the fault current using steps is only carried out if the threshold value for immediate tripping is not exceeded. This design is based on the consideration that the possible contribution of core magnetization to a detected fault current is limited. If the fault current is high, it can then be concluded that the fault current exceeds the threshold for tripping, even if the contribution from the converter core magnetization is at its maximum. This is represented by a second threshold value ("threshold value for immediate tripping"). In this case, a signal to interrupt the circuit is preferably issued immediately, i.e. no averaging takes place using steps a) - g).
Gemäß einer Weiterbildung wird bei einer Überwachung des Stromkreises auf einen DC-Fehlerstrom nach Durchführung der Schritte a) - g) der Effekt einer dadurch verursachten Magnetisierung des Stromwandlers berücksichtigt.According to a further development, when monitoring the circuit for a DC fault current after carrying out steps a) - g), the effect of any magnetization of the current transformer caused thereby is taken into account.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Computerprogramm, das ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführt, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, und ein Computerprogrammprodukt mit einem derartigen Computerprogramm.The invention also relates to a computer program which carries out a method according to the invention when executed on a computer, and to a computer program product comprising such a computer program.
Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
-
1 : herkömmlicher RCD Typ B, -
2 : Hysteresekurve eines Wandlerkerns, -
3 : scheinbarer Fehlerstrom bei einer Magnetisierung des Wandlerkerns durch einen Feldstärkeimpuls, -
4a : scheinbarer Fehlerstrom als Funktion der Zeit bei einer Magnetisierung des Wandlerkerns durch einen Feldstärkeimpuls, -
4b : Feldstärke als Funktion der Zeit bei einem Feldstärkeimpuls, der zur einer Kernmagnetisierung führt, -
5 : erfindungsgemäße Fehlerstrom-Schutzschaltung, -
6 : scheinbarer Fehlerstrom bei einer Magnetisierung des Wandlerkerns durch einen Feldstärkeimpuls bei Zuschaltung des Widerstands Rmagder Schaltung aus 5 , -
7a : erfasster Fehlerstrom als Funktion der Zeit bei einem erfindungsgemäßen Vorgehen, wenn keine vorhergehende Kernmagnetisierung durch einen Feldstärkeimpuls vorliegt, -
7b : Magnetfeld als Funktion der Zeit bei einem erfindungsgemäßen Vorgehen, wenn keine vorhergehende Kernmagnetisierung durch einen Feldstärkeimpuls vorliegt, -
8a : erfasster Fehlerstrom als Funktion der Zeit bei einem erfindungsgemäßen Vorgehen, wenn eine vorhergehende Kernmagnetisierung durch einen Feldstärkeimpuls vorliegt, -
8b : Magnetfeld als Funktion der Zeit bei einem erfindungsgemäßen Vorgehen, wenn eine vorhergehende Kernmagnetisierung durch einen Feldstärkeimpuls vorliegt, -
9 : scheinbarer Fehlerstrom bei einer Magnetisierung des Wandlerkerns durch einen Feldstärkeimpuls bei erfindungsgemäßem Vorgehen, -
10a : erfasster Fehlerstrom als Funktion der Zeit, wenn eine Kernmagnetisierung durch einen Feldstärkeimpuls erfolgt und anschließend das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, -
10b : Magnetfeld als Funktion der Zeit, wenn eine Kernmagnetisierung durch einen Feldstärkeimpuls erfolgt und anschließend das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, -
11 : ein erfindungsgemäßes Verfahren, -
12 eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 : conventional RCD type B, -
2 : Hysteresis curve of a converter core, -
3 : apparent fault current when the transformer core is magnetized by a field strength pulse, -
4a : apparent fault current as a function of time when the transformer core is magnetized by a field strength pulse, -
4b : Field strength as a function of time for a field strength pulse that leads to nuclear magnetization, -
5 : residual current protective circuit according to the invention, -
6 : apparent fault current when the transformer core is magnetized by a field strength pulse when the resistor R mag of the circuit is connected5 , -
7a : detected fault current as a function of time in a procedure according to the invention, if there is no previous nuclear magnetization by a field strength pulse, -
7b : Magnetic field as a function of time in a procedure according to the invention, if no previous nuclear magnetization by a field strength pulse is present, -
8a : detected fault current as a function of time in a procedure according to the invention, if a previous nuclear magnetization by a field strength pulse is present, -
8b : Magnetic field as a function of time in a procedure according to the invention, if a previous nuclear magnetization by a field strength pulse is present, -
9 : apparent fault current when the converter core is magnetized by a field strength pulse using the inventive procedure, -
10a : detected fault current as a function of time when nuclear magnetization occurs through a field strength pulse and the method according to the invention is subsequently carried out, -
10b : Magnetic field as a function of time when a nuclear magnetization is carried out by a field strength pulse and the method according to the invention is then carried out, -
11 : a method according to the invention, -
12 a further development of the method according to the invention.
Der Einfachheit halber wird im Ausführungsbeispiel die Realisierung des Fehlerstrom-Schutzschaltung als Schutzschalter, genauer als RCD vom Typ B beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf diesen Fall beschränkt. Nicht nur kann die erfindungsgemäße Schaltung ein Bestandteil von Schaltern sein, die neben der Fehlerstrom-Schutzfunktion noch andere Funktionen (insb. Schutzfunktionen wie Überlastschutz und Kurzschlussschutz) realisieren, sondern es ist auch denkbar, dass die erfindungsgemäße Schaltung zur Realisierung einer zusätzlichen Fehlerstromschutzfunktion mit anderen elektronischen Bauelementen (z.B. Transformatoren) zu einem Produkt kombiniert wird.For the sake of simplicity, the implementation of the residual current protection circuit is described in the exemplary embodiment as a circuit breaker, more precisely as a type B RCD. However, the invention is not limited to this case. Not only can the circuit according to the invention be a component of switches that implement other functions (in particular protective functions such as overload protection and short-circuit protection) in addition to the residual current protection function, but it is also conceivable that the circuit according to the invention is combined with other electronic components (e.g. transformers) to create a product in order to implement an additional residual current protection function.
Die Stromwandler, die in RCDs zum Einsatz kommen, haben üblicherweise einen Kern aus weichmagnetischem Material. Dieses kann bei hochfrequenten Differenzströmen leicht magnetisiert werden. Diese schwache Magnetisierung des Kerns kann durch die Differenzstrom-Detektionsmittel des RCDs als DC-Fehlerstrom interpretiert werden und ein ungewolltes Auslösen des RCDs mit sich ziehen. Dies ist insbesondere ein Problem bei Gerätekombinationen von RCD und Überwachungseinrichtung - als „RDC-MD“ bezeichnet, wobei „MD“ für „Monitoring Device“ steht -, die bei geringen Strömen auslösen. Derartige Vorrichtungen, die bei einer max. Amplitude von 6 mA eines AC-Fehlerstroms und bereits bei 4,5 mA eines DC-Fehlerstroms auslösen, kommen im Bereich der Elektromobilität zum Einsatz, z.B. um den Anforderungen der Norm IEC 62955 zu genügen.The current transformers used in RCDs usually have a core made of soft magnetic material. This can easily be magnetized by high-frequency differential currents. This weak magnetization of the core can be interpreted as a DC residual current by the RCD's differential current detection means and can lead to the RCD being triggered unintentionally. This is a particular problem with device combinations of RCD and monitoring device - referred to as "RDC-MD", where "MD" stands for "Monitoring Device" - which trigger at low currents. Such devices, which trigger at a maximum amplitude of 6 mA of an AC residual current and at just 4.5 mA of a DC residual current, are used in the field of electromobility, e.g. to meet the requirements of the IEC 62955 standard.
Standard-RCDs nutzen den Stromwandler bzw. ZCT (Zero Current Transformer), um die Magnetfelder der Lastströme in allen Leitern zu summieren und transformieren den Differenzstrom (Fehlerstrom) in die Sekundärwindung des ZCT. Das Prinzip der Stromwandlung funktioniert nicht bei DC-Strömen bzw. Gleichströmen. Aus diesem Grund wird für die Messung von DC-Fehlerströmen üblicherweise das Fluxgate-Prinzip verwendet.Standard RCDs use the current transformer or ZCT (Zero Current Transformer) to sum the magnetic fields of the load currents in all conductors and transform the differential current (fault current) into the secondary winding of the ZCT. The principle of current conversion does not work for DC currents or direct currents. For this reason, the fluxgate principle is usually used to measure DC fault currents.
Ein RCD vom Typ B ist schematisch in
Dieser Strom führt zu einem Spannungsabfall am Messwiderstand Rsense (Bezugszeichen 33). Ein Signalverarbeitungsschaltkreis mit den Tiefpassfilter 35 kompensiert den Einfluss des Erregerstromes. Ein Verstärker 36 verstärkt das Signal und ein Addierer 37 addierte einen Offset, damit das Signal mit Hilfe eines in einem Mikrokontroller 4 angeordneten Analog-DigitalWandlers (Eingang 41) gemessen werden kann. Der Fehlerstrom kann dann mit folgender Formel berechnet werden:
Dabei ist S der Verstärkungsfaktor, VADC die digitalisierte Spannung am AD-Wandler, Vo die addierte Offsetspannung, N2 die sekundäre Wicklungszahl des Wandlers bzw. die Wicklungszahl der Induktivität 32 und Rsense entspricht dem ohmschen Widerstand 33 in
Der Mikrokontroller 4 berechnet den Wert des Fehlerstromes. Es erfolgt z.B. die Berechnung des RMS-Wertes (RMS ist Abkürzung für „Root Mean Square“ und bezeichnet den Effektivwert des Stroms). Auf Basis des RMS-Wertes werden Kriterien für eine Unterbrechung des Stromes überprüft (z.B. Schwellenwert für RMS-Wert, evtl. verbunden mit einem Zeitkriterium für die Überschreitung des Schwellwertes). Wenn die Bedingungen für eine Unterbrechung erfüllt sind, gibt der Mikrokontroller 4 auf dem Ausgang 42 ein Unterbrechungssignal aus, durch das eine Unterbrechungseinheit 5 (üblich ist auch der englische Begriff „trip unit“) zur Öffnung der Schalter S veranlasst wird.The
Es sollte sichergestellt werden, dass nicht eine Magnetisierung des Kerns zu einem scheinbaren Fehlerstrom und damit zu einer Auslösung des RCDs führt. Der Effekt der Magnetisierung des Wandlerkerns ist der Hysteresekurve von
Die Magnetisierung des Kerns hat denselben Effekt auf die Detektion wie ein DC-Fehlerstrom, der ein entsprechendes magnetisches Feld im Kern induzieren würde. Die Detektorschaltung kompensiert automatisch diese Magnetisierung mittels einer Kompensationsfeldstärke entsprechend:
Die Detektorschaltung entdeckt dann einen vermeintlichen DC-Strom, der in Wirklichkeit gar nicht vorhanden ist:
Mögliche Szenarien, die zu einer Kernmagnetisierung führen können, sind: hohe Stromimpulse durch starken Stromanstieg bei Blitzeinschlag oder Kurzschluss des Schaltkreises bei einem Erdschluss. Bei derartigen Strömen (viele Tausend Ampere) kann die Feldstärke 100,000 A/m überschreiten, was mit der magnetischen Feldstärke von Hexc im Bereich von 50 A/m zu vergleichen ist.Possible scenarios that can lead to nuclear magnetization are: high current pulses caused by a strong current surge during a lightning strike or a short circuit of the circuit during a ground fault. At such currents (many thousands of amps) the field strength can exceed 100,000 A/m, which is comparable to the magnetic field strength of Hexc in the range of 50 A/m.
Wenn der scheinbare Strom I_app oder die Summe aus diesem Strom I_app zusammen mit einem technische Leckstrom (der für sich genommen noch nicht zu einer Auslösung führen würde) die Auslösungsschwelle des RCD übersteigt, erfolgt eine nicht gewollte Auslösung des RCD.If the apparent current I_app or the sum of this current I_app together with a technical leakage current (which on its own would not lead to tripping) exceeds the tripping threshold of the RCD, an unwanted tripping of the RCD occurs.
Der Wert des Differenzstroms, der durch permanente Magnetisierung des Kerns entstehen kann, ist generell im Bereich von ein paar mA. Für einen RCD mit einer Nennauslösung von 30 mA ist das im Regelfall kein wirkliches Problem, weil dieser scheinbare Strom I_app quasi einer tolerierbare Messungenauigkeit entspricht. Dagegen stellt sich für ein Gerät mit einer Nennauslösung von 6 mA dieser durch die Magnetisierung des Kerns hervorgerufene Strom als erhebliches Problem dar, weil er Werte (einige mA) annimmt, die nicht mehr vernachlässigt werden können bzw. das Auslöseverhalten signifikant verändern.The value of the differential current that can arise from permanent magnetization of the core is generally in the range of a few mA. For an RCD with a nominal tripping of 30 mA, this is usually not a real problem because this apparent current I_app corresponds to a tolerable measurement inaccuracy. On the other hand, for a device with a nominal tripping of 6 mA, this current caused by the magnetization of the core represents a significant problem because it assumes values (a few mA) that can no longer be ignored or significantly changes the tripping behavior.
- - Ein Ausgang „MAG“ (Bezugszeichen 44) der MCU, welcher den Zustand eines Schalters „Switch“ (Bezugszeichen 39) steuert.
Dieser Schalter 39 kann eine Verbindung des Widerstands Rmag (Bezugszeichen 38) parallel zu dem Messwiderstand Rsense (Bezugszeichen 33) herstellen. - - Ein Eingang „POL“ (Bezugszeichen 43) der MCU zum Überwachen der Polarität des Erregerschaltkreises: der Input ist ein binäres Signal, dessen logische Zustände einer positiven Erregerspannung bzw. einer negativen Erregerspannung entsprechen.
- - An output “MAG” (reference 44) of the MCU, which controls the state of a switch “Switch” (reference 39). This
switch 39 can connect the resistor Rmag (reference 38) in parallel to the measuring resistor Rsense (reference number 33). - - An input “POL” (reference 43) of the MCU for monitoring the polarity of the excitation circuit: the input is a binary signal whose logical states correspond to a positive excitation voltage or a negative excitation voltage.
Im regulären Betrieb ist der Schalter 39 offen und der Widerstand 38 nicht parallel zum Widerstand 33 geschaltet. Die auf den Stromwandler angewandte periodische Feldstärke ist dann
Wenn der Schalter 39 geschlossen ist, wird der gesamte Widerstand:
Die Feldstärke Hexc2 ist substantiell größer als die Feldstärke Hexc1, kann aber nicht so groß wir die Feldstärke Hsurge sein. Der Wert von der Feldstärke Hexc2 kann z.B. einen Wert im Bereich von 1000 A/m annehmen. Auf Basis des Inputs am Eingang 43 kann die MCU den Schalter 39 nach einem positiven Impuls der positiven Feldstärke +Hexc2 oder negativen Impuls der Feldstärke -Hexc2 öffnen.The field strength Hexc2 is substantially greater than the field strength Hexc1, but cannot be as great as the field strength Hsurge. The value of the field strength Hexc2 can, for example, take on a value in the range of 1000 A/m. Based on the input at
Der Mittelwert Im von dem scheinbaren Strömen Iapp2+ und Iapp2- ist nahezu null und entspricht der Realität. In dem darauf folgenden Arbeitsgang muss die MCU den restlichen scheinbaren Strom Iapp2- bei der Berechnung des Differenzstroms kompensieren. Wenn z.B. in
Der mittlere Strom Im entspricht vielleicht nicht exakt dem tatsächlichen Wert des Differenzstroms, weil die Erregungsfeldstärke Iexc2 immer noch erheblich geringer ist als die Magnetisierung bei Hsurge, d.h. der Effekt der ungewollten Magnetisierung kann nicht vollständig kompensiert werden. Der verbleibende Fehler hat approximativ der Wert von Iapp1 - Iapp2+. Jedoch ist der Fehler bei der Detektion des DC-Differenzstroms signifikant reduziert durch dieses Verfahren, wenn der Mittelwert Im als der DC-Differenzstrom interpretiert wird.The average current Im may not exactly correspond to the actual value of the differential current because the excitation field strength Iexc2 is still considerably lower than the magnetization at Hsurge, i.e. the effect of the unwanted magnetization cannot be fully compensated. The remaining error has an approximate value of Iapp1 - Iapp2+. However, the error in detecting the DC differential current is significantly reduced by this method if the average value Im is interpreted as the DC differential current.
In
In
Es sei Itripp1 die Auslöseschwelle für die Fehlerstrom-Schutzschaltung. Es wird gem. Schritt S2 in
Die max. Kernmagnetisierung und damit auch Iapp,max kann z.B. empirisch für eine gegebene Fehlerstrom-Schutzschaltung bestimmt werden. Dieses Vorgehen ist durch Schritt S21 in der Weiterbildung gem.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102018204047 A1 [0003]DE 102018204047 A1 [0003]
- DE 102019204272 A1 [0003]DE 102019204272 A1 [0003]
- DE 102021202171 A1 [0003]DE 102021202171 A1 [0003]
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20180131173A1 (en) | 2015-04-22 | 2018-05-10 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Shutoff device |
DE102018204047A1 (en) | 2018-03-16 | 2019-09-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Residual current protection unit |
DE102019204272A1 (en) | 2019-03-27 | 2020-10-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Residual current device and procedure |
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