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 DE 102018204047 A1 , DE 102019204272 A1 und DE 102021202171 A1 angegeben. Dabei geht es vor allem um den Effekt von hochfrequenten Strömen, die zu einem ungewollten Auslösen führen können.Relevant technical improvements for type B RCDs are described, for example, in the publications EN 102018204047 A1 , DE 102019204272 A1 and EN 102021202171 A1 This mainly concerns the effect of high-frequency currents, which can lead to unwanted triggering.

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 claim 1 or a method for detecting a direct current by means of a residual current protection circuit according to the invention according to claim 6. Advantageous further developments are specified in the subclaims.

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:

  1. a) Öffnen des Schalters bei einem ersten Vorzeichenwechsel der Erregerspannung,
  2. b) Schließen des Schalters bei dem auf den ersten folgenden Vorzeichenwechsel der Erregerspannung,
  3. c) Detektieren eines ersten induzierten Ausgleichstroms,
  4. d) Öffnen des Schalters bei einem zweiten Vorzeichenwechsel der Erregerspannung, wobei der zweite Vorzeichenwechsel dem ersten entgegengesetzt ist,
  5. e) Schließen des Schalters bei dem auf den zweiten folgenden Vorzeichenwechsel der Erregerspannung,
  6. f) Detektieren eines zweiten induzierten Ausgleichstroms und
  7. g) Bilden eines Mittelwerts (vorzugsweise des arithmetischen Mittelwerts) des ersten und zweiten induzierten Ausgleichstroms.
A method for detecting a direct current by means of a residual current protection circuit according to the invention is proposed, in which the following steps are carried out:
  1. a) Opening the switch at the first change of sign of the excitation voltage,
  2. b) Closing the switch at the change of sign of the excitation voltage following the first one,
  3. c) detecting a first induced compensating current,
  4. d) opening the switch when the excitation voltage changes sign for a second time, the second change of sign being opposite to the first,
  5. e) closing the switch at the change of sign of the excitation voltage following the second one,
  6. f) detecting a second induced compensating current and
  7. 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 Rmag der 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.
The invention is explained in more detail below within the framework of an embodiment using figures.
  • 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 connected 5 ,
  • 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 1 dargestellt. Es sind Phasenleiter L1-L3 und ein Neutralleiter N eingezeichnet. Bei einem Fehlerstrom löst der RCD aus und unterbricht die Leiter mittels Schaltern S. Es ist ein Erreger-Schaltkreis 31 vorgesehen (die Energieversorgung des Erreger-Schaltkreis 31 ist nicht eingezeichnet), der einen Erregungsstrom erzeugt, typischerweise durch eine Wechselspannung Vexc, die über dem Messwiderstand Rsense bzw. 33 abfällt, d.h. der Erregungsstrom ist ein Wechselstrom. Dieser treibt periodisch den magnetischen Kern eines ZCT-Stromwandlers 1 mit Hilfe einer Induktivität 32 von einem Sättigungspunkt zum gegenüberliegenden Sättigungspunkt (Sättigungs-Detektion mittels Detektor 34). Dabei wird ein durchschnittliches Magnetfeld von 0 A/m erzeugt. Durch die Erzeugung einer Magnetfeldstärke von 0 A/m wird im Fall eines vorhandenen Fehlerstromes auch ein Kompensationsstrom erzeugt.A type B RCD is shown schematically in 1 shown. Phase conductors L1-L3 and a neutral conductor N are shown. In the event of a fault current, the RCD trips and interrupts the conductors by means of switches S. An excitation circuit 31 is provided (the power supply of the excitation circuit 31 is not shown), which generates an excitation current, typically by means of an alternating voltage V exc which drops across the measuring resistor R sense or 33, i.e. the excitation current is an alternating current. This periodically drives the magnetic core of a ZCT current transformer 1 with the aid of an inductance 32 from one saturation point to the opposite saturation point (saturation detection by means of detector 34). This generates an average magnetic field of 0 A/m. By generating a magnetic field strength of 0 A/m, a compensation current is also generated in the event of a fault current.

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: i Δ ( t ) = ( V ADC ( t ) V o ) N 2 R sense S

Figure DE102023202519A1_0001
This current leads to a voltage drop at the measuring resistor R sense (reference number 33). A signal processing circuit with the low-pass filter 35 compensates for the influence of the excitation current. An amplifier 36 amplifies the signal and an adder 37 adds an offset so that the signal can be measured with the help of an analog-digital converter (input 41) arranged in a microcontroller 4. The fault current can then be calculated using the following formula: i Δ ( t ) = ( V ADC ( t ) V O ) N 2 R sense S
Figure DE102023202519A1_0001

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 1.Where S is the gain factor, VADC is the digitized voltage at the AD converter, Vo is the added offset voltage, N2 is the secondary winding number of the converter or the winding number of the inductance 32 and Rsense corresponds to the ohmic resistance 33 in 1 .

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 microcontroller 4 calculates the value of the fault current. For example, the RMS value is calculated (RMS is an abbreviation for "Root Mean Square" and refers to the effective value of the current). On the basis of the RMS value, criteria for an interruption of the current are checked (e.g. threshold value for RMS value, possibly combined with a time criterion for exceeding the threshold value). If the conditions for an interruption are met, the microcontroller 4 outputs an interruption signal on the output 42, which causes an interruption unit 5 (the English term "trip unit" is also common) to open the switch S.

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 2 gezeigt. Die magnetische Feldstärke B ist in Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke H aufgetragen. Die ursprüngliche Hysteresekurve ist die untere. Wenn der Kern des Wandlers permanent durch ein positives Magnetfeld mit einer Feldstärke Hsurge, die signifikant größer ist als die maximale durch den Erregungsgenerator erzeugte Feldstärke Hexc, magnetisiert wird, kann die Hystereseschleife nicht mehr um den Ursprung B=0 zentriert, sondern leicht in Richtung positiver Feldstärken B verschoben sein (obere Kurve). Es resultiert dann ein kleiner Unterschied zwischen den Werten positiver und negativer Remanenz: ΔBr.It should be ensured that magnetization of the core does not lead to an apparent fault current and thus to a tripping of the RCD. The effect of magnetization of the transformer core is the hysteresis curve of 2 shown. The magnetic field strength B is plotted against the magnetic field strength H. The original hysteresis curve is the lower one. If the core of the converter is permanently magnetized by a positive magnetic field with a field strength Hsurge that is significantly greater than the maximum field strength Hexc generated by the excitation generator, the hysteresis loop can no longer be centered around the origin B=0, but can be slightly shifted towards positive field strengths B (upper curve). This results in a small difference between the values of positive and negative remanence: ΔBr.

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: Δ H C = Δ B R / μ

Figure DE102023202519A1_0002
The magnetization of the core has the same effect on the detection as a DC fault current, which would induce a corresponding magnetic field in the core. The detector circuit automatically compensates for this magnetization by means of a compensation field strength accordingly: Δ H C = Δ B R / μ
Figure DE102023202519A1_0002

Die Detektorschaltung entdeckt dann einen vermeintlichen DC-Strom, der in Wirklichkeit gar nicht vorhanden ist: I app = L FE × Δ H C .

Figure DE102023202519A1_0003
The detector circuit then detects an apparent DC current that is not actually present: I app = L FE × Δ H C .
Figure DE102023202519A1_0003

3 zeigt den dem Anschein nach fließendem Strom als Funktion des Feldstärkeimpulses Hsurge und der darauffolgenden Erregungsfeldstärke Hexc. Der ursprüngliche Arbeitspunkt A ist zum Punkt B verschoben. Die darauffolgende partielle Entmagnetisierung beim Wert Hexc über Punkt C resultiert in einer Restmagnetisierung bei Punkt D und korrespondiert mit dem scheinbaren Strom I_app. 3 shows the apparent current as a function of the field strength pulse Hsurge and the subsequent excitation field strength Hexc. The original operating point A is shifted to point B. The subsequent partial demagnetization at the value Hexc above point C results in a residual magnetization at point D and corresponds to the apparent current I_app.

4a und 4b zeigen dieselbe Magnetisierung und ihre Effekte in der zeitlichen Darstellung. Der Übergang von dem Punkt A nach D über B und C ist in dieser Auflösung nicht darstellbar, weil er viel schneller als die Periode der Erregungsfeldstärke Hexc ist. 4a and 4b show the same magnetization and its effects in the temporal representation. The transition from point A to D via B and C cannot be represented in this resolution because it is much faster than the period of the excitation field strength Hexc.

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.

5 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Erfindung. Es ist ein üblicher Detektionsschaltkreis eines RCDs vom Typ B gezeigt (siehe 1) mit folgenden Ergänzungen:

  • - 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.
5 shows a possible embodiment of the invention. A typical detection circuit of a type B RCD is shown (see 1 ) with the following additions:
  • - 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 H e x c 1 = V e x c N 2 R s e n s e L F E

Figure DE102023202519A1_0004
In normal operation, switch 39 is open and resistor 38 is not connected in parallel with resistor 33. The periodic field strength applied to the current transformer is then H e x c 1 = V e x c N 2 R s e n s e L F E
Figure DE102023202519A1_0004

Wenn der Schalter 39 geschlossen ist, wird der gesamte Widerstand: R t = R s e n s e R m a g R s e n s e + R m a g

Figure DE102023202519A1_0005
und die Feldstärke erhöht sich auf: H e x c 2 = V e x c N 2 R t L F E
Figure DE102023202519A1_0006
When switch 39 is closed, the total resistance is: R t = R s e n s e R m a G R s e n s e + R m a G
Figure DE102023202519A1_0005
and the field strength increases to: H e x c 2 = V e x c N 2 R t L F E
Figure DE102023202519A1_0006

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 input 43, the MCU can open the switch 39 after a positive pulse of the positive field strength +Hexc2 or a negative pulse of the field strength -Hexc2.

7a und 7b zeigen, dass eine Magnetisierung nach einem positiven Impuls erfolgt und ein scheinbarer Strom Iapp2+ danach übrigbleibt. In entsprechender Weise wird ein negativer scheinbarer Strom Iapp2- nach einem negativen Impuls der Feldstärke Hexc2 detektiert, wie in 7a gezeigt ist. 7a and 7b show that magnetization occurs after a positive pulse and an apparent current Iapp2+ remains afterward. Similarly, a negative apparent current Iapp2- is detected after a negative pulse of field strength Hexc2, as in 7a is shown.

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 7b die Prozedur zu Ende ist (d.h. zeitlich nach dem zweiten, negativen Peak) und keine Auslösung des RCDs erfolgte, wird der RCD weiter den Fehlerstrom auf Überschreiten einer Auslöseschwelle überwachen. Für diese Schwellenwertüberwachung wird die induzierte Magnetisierung kompensiert. Sei z.B. Iapp der bei der Überwachung erhaltene Stromwert. Die Kompensation kann dann darin bestehen, dass das nicht Iapp, sondern (Iapp + (Im - Iapp2-)) mit der Schwelle verglichen wird, wobei Im und Iapp2- die bei der zeitlich letzten Bestimmung von Im erhaltenen Werte sind. The average value Im of the apparent currents Iapp2+ and Iapp2- is almost zero and corresponds to reality. In the following operation, the MCU must compensate for the remaining apparent current Iapp2- when calculating the differential current. If, for example, in 7b the procedure has ended (ie after the second negative peak) and the RCD has not tripped, the RCD will continue to monitor the fault current for exceeding a tripping threshold. For this threshold monitoring, the induced magnetization is compensated. Let Iapp, for example, be the current value obtained during monitoring. The compensation can then consist of comparing not Iapp, but (Iapp + (Im - Iapp2-)) with the threshold, where Im and Iapp2- are the values obtained during the last determination of Im.

8a und 8b zeigen ein Szenario, bei dem ein DC-Differenzstrom Idiff durch den RCD fließt. Dieser erzeugt eine Feldstärke Hdiff = Idiff / Lfe, die durch den Schaltkreis kompensiert wird und in einem Strom Iapp1 resultiert, der denselben Wert wie der Strom Idiff besitzt. Wenn eine Magnetisierung bei den Feldstärken +Hexc2 und -Hexc2 durchgeführt wird, entspricht der Mittelwert Im von Iapp2+ und Iapp2- dem Strom Iapp1 bzw. dem Strom Idiff. Die Mittelwertbildung nach der Magnetisierung in positive und negative Polaritäten beeinflusst nicht das Ergebnis, und der gemessene Strom entspricht dem tatsächlichen Differenzstrom. 8a and 8b show a scenario where a DC differential current Idiff flows through the RCD. This creates a field strength Hdiff = Idiff / Lfe, which is compensated by the circuit and results in a current Iapp1 that has the same value as the current Idiff. When magnetization is performed at field strengths +Hexc2 and -Hexc2, the average value Im of Iapp2+ and Iapp2- corresponds to the current Iapp1 and the current Idiff respectively. The averaging after magnetization in positive and negative polarities does not affect the result and the measured current corresponds to the actual differential current.

9 sowie 10a und 10b zeigen ein Szenario, bei dem der Kern des Stromwandlers bei Hsurge durch einen sehr hohen Differenzstrom magnetisiert wurde. Die MCU detektiert nach dem hohen Strom einen scheinbaren Strom Iapp1, der durch die ungewünschte Magnetisierung verursacht ist. Zu diesem Zeitpunkt kann die MCU nicht zwischen dem Effekt einer Magnetisierung und einem tatsächlichen DC-Differenzstrom unterscheiden. Die MCU wendet dann die höheren Erregungsfeldstärken +Hexc2 und -Hexc2 an und misst die neuen scheinbaren Ströme Iapp2+ und Iapp2-. Der Mittelwert Im dieser Ströme ist erheblich geringer als der vorige scheinbare Strom Iapp1. Es kann gefolgt werden, dass zumindest die Differenz Iapp1 - Im durch die Magnetisierung des Kerns verursacht ist. 9 as well as 10a and 10b show a scenario where the core of the current transformer at Hsurge has been magnetized by a very high differential current. The MCU detects an apparent current Iapp1 after the high current, which is caused by the unwanted magnetization. At this point, the MCU cannot distinguish between the effect of a magnetization and an actual DC differential current. The MCU then applies the higher excitation field strengths +Hexc2 and -Hexc2 and measures the new apparent currents Iapp2+ and Iapp2-. The average value Im of these currents is considerably lower than the previous apparent current Iapp1. It can be concluded that at least the difference Iapp1 - Im is caused by the magnetization of the core.

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 11 ist ein Flowchart für eine erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt. In einem ersten Schritte S1 findet eine Überwachung auf einen möglichen Fehlerstrom durch eine Schaltung entsprechend 5 statt. Zu Beginn ist der Widerstand Rmag nicht zugeschaltet und es wird der induzierte Strom Iapp1 ermittelt. Abhängig davon, ob ein induzierter Strom vorliegt, wird weiter verfahren. Dabei kann als Kriterium für die Abfrage S2 evtl. auch die Höhe des ermittelten Stroms Iapp1 verwendet werden. Dieser scheinbare Strom Iapp1 kann evtl. auch durch eine ungewollte Magnetisierung des Wandlerkerns bewirkt sein. Es wäre z.B. denkbar, bei der Abfrage S2 zu überprüfen, ob der Wert des induzierten Stroms Iapp1 einen Schwellenwert für das Auslösen des RCDs überschreitet. Falls ja, würden die Schritte S3 bis S10 durchgeführt, um die Wahrscheinlichkeit für ein durch eine Kernmagnetisierung herbeigeführtes, um ungewolltes Auslösen (nuisance tripping) zu vermeiden. In Schritt S3 wird für die Erregerspannung Vexc ein Vorzeichenwechsel detektiert und über den Eingang Pol der MCU kommuniziert. Die MCU schließt dann über den Ausgang Mag den Schalter 39, wodurch der Widerstand Rmag dem Widerstand Rsense parallelgeschaltet wird. Bei dem nächsten Vorzeichenwechsel wird der Schalter 39 wieder geöffnet (Schritt S4). Dann wird der induzierte Strom Iapp2+ ermittelt. Anschließend werden die Schritte S3-S5 mit gegenläufigen Vorzeichenwechsel wiederholt (Schritte S6-S8) und auf diese Weise der Wert Iapp2- für den indizierten Strom erhalten. Im Schritt S9 wird der Mittelwert Im aus Iapp2+ und Iapp2- gebildet und als Kriterium für eine Auslösung herangezogen (Schritt S10). Ist ein Grenzwert für die Auslösung überschritten, unterbricht der RCD die überwachte Strombahn (Schritt S11). Anderenfalls wird mit dessen Überwachung fortgefahren. Dabei die Magnetisierung des Wandlerkerns durch die Schritte S6 und S7 berücksichtigt.In 11 A flowchart for a method according to the invention is shown. In a first step S1, a monitoring for a possible fault current takes place through a circuit according to 5 At the beginning, the resistor R mag is not switched on and the induced current Iapp1 is determined. The process continues depending on whether an induced current is present. The level of the determined current Iapp1 can also be used as a criterion for query S2. This apparent current Iapp1 can also be caused by an unwanted magnetization of the converter core. It would be conceivable, for example, to check in query S2 whether the value of the induced current Iapp1 exceeds a threshold value for tripping the RCD. If so, steps S3 to S10 would be carried out to avoid the likelihood of nuisance tripping. In step S3, a change of sign is detected for the excitation voltage Vexc and communicated via the Pol input of the MCU. The MCU then closes switch 39 via the Mag output, whereby the resistor R mag is connected in parallel with the resistor R sense . At the next sign change, switch 39 is opened again (step S4). The induced current Iapp2+ is then determined. Steps S3-S5 are then repeated with opposite sign changes (steps S6-S8) and in this way the value Iapp2- for the indicated current is obtained. In step S9, the average value Im of Iapp2+ and Iapp2- is calculated and used as a criterion for tripping (step S10). If a limit value for tripping is exceeded, the RCD interrupts the monitored current path (step S11). Otherwise, monitoring continues. The magnetization of the transformer core is taken into account in steps S6 and S7.

In 12 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Dieser liegt folgende Überlegung zugrunde: Das erfindungsgemäße Vorgehen soll die Auslösesicherheit verbessern, indem bei der Bewertung des induzierten Stroms Iapp1 eine Wandlerkernmagnetisierung zumindest teilweise kompensiert wird. Diese Kompensation ist nicht erforderlich, wenn der indizierte Strom Iapp1 so hoch ist, dass auf jeden Fall die Schwelle für eine Auslösung überschritten ist. Sei ΔBR,max die maximale Kernmagnetisierung, die in Betriebssituationen vorkommt. Diese führt zu einem induzierten Strom Iapp,max nach den Gleichungen Δ H C ,max = Δ B R ,max / μ

Figure DE102023202519A1_0007
und I app ,max = L FE × Δ H C ,max .
Figure DE102023202519A1_0008
In 12 a variant of the method according to the invention is shown. This is based on the following consideration: The procedure according to the invention is intended to improve the tripping reliability by at least partially compensating for a converter core magnetization when evaluating the induced current Iapp1. This compensation is not necessary if the indicated current Iapp1 is so high that the threshold for tripping is exceeded in any case. Let ΔB R,max be the maximum core magnetization that occurs in operating situations. This leads to an induced current I app,max according to the equations Δ H C ,max = Δ B R ,max / μ
Figure DE102023202519A1_0007
and I app ,max = L FE × Δ H C ,max .
Figure DE102023202519A1_0008

Es sei Itripp1 die Auslöseschwelle für die Fehlerstrom-Schutzschaltung. Es wird gem. Schritt S2 in 11 der induzierte Strom Iapp1 ermittelt. Durch die folgenden Schritte S3 - S9 werden Auslöseereignisse vermieden, bei denen das Überschreiten der Auslöseschwelle allein bzw. maßgeblich auf eine Wandlerkernmagnetisierung zurückzuführen ist. Wenn nun der ermittelte Strom Iapp1 so hoch ist, dass auf jeden Fall ein zu hoher Fehlerstrom vorliegt, kann die Auslösung sofort, d.h. ohne die Durchführung der Schritte S3 - S9 erfolgen. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn Iapp1 > Itripp1 + Iapp,max ist. Gem. der Weiterbildung nach 12 wird ein weiterer Grenzwert Itripp2 eingeführt. Dieser ist so gewählt, dass bei Überschreiten sicher von einem zu hohen Fehlerstrom auszugehen ist, unabhängig davon, ob einer Kernmagnetisierung vorliegt, z.B. Itripp2 ≥ Itripp1 + Iapp,max.Let I tripp1 be the tripping threshold for the residual current protection circuit. According to step S2 in 11 the induced current Iapp1 is determined. The following steps S3 - S9 prevent tripping events where the exceeding of the tripping threshold is solely or primarily due to a magnetization of the transformer core. If the determined current Iapp1 is so high that the fault current is definitely too high, tripping can occur immediately, ie without carrying out steps S3 - S9. This condition is met if Iapp1 > I tripp1 + I app,max . According to the further development according to 12 a further limit value I tripp2 is introduced. This is chosen in such a way that if it is exceeded, it can be safely assumed that the fault current is too high, regardless of whether nuclear magnetization is present, e.g. I tripp2 ≥ I tripp1 + I app,max .

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. 12 implementiert. Es erfolgt eine sofortige Auslösung, wenn der Schwellenwert Itripp2 überschritten ist. Der Vorteil ist eine schnellere Auslösung insb. bei hohen Fehlerströmen, die potenziell auch gefährlicher sind.The maximum core magnetization and thus also I app,max can be determined empirically for a given residual current protective circuit. This procedure is described in step S21 in the further development according to. 12 implemented. Immediate tripping occurs when the threshold value I tripp2 is exceeded. The advantage is faster tripping, especially in the case of high fault currents, which are also potentially more dangerous.

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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]

Claims (14)

Fehlerstrom-Schutzschaltung 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, mit - einem Stromwandler (1), - einem Erreger-Schaltkreis (31) zur Erzeugung einer oszillierenden Erregerspannung, - einer Induktivität (32) zur Induktion eines Magnetfelds in dem Stromwandler (1), und - einem ersten Widerstand (33), dadurch gekennzeichnet, dass - die Schutzschaltung weiter gebildet ist mit einem zweiten Widerstand (38) und einem Schalter (39), wobei der zweite Widerstand (38) parallel zu dem ersten Widerstand (38) angeordnet und mittels des Schalters (39) zuschaltbar ist.Residual current protection circuit 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, with - a current transformer (1), - an excitation circuit (31) for generating an oscillating excitation voltage, - an inductance (32) for inducing a magnetic field in the current transformer (1), and - a first resistor (33), characterized in that - the protection circuit is further developed with a second resistor (38) and a switch (39), wherein the second resistor (38) is arranged parallel to the first resistor (38) and can be switched on by means of the switch (39). Fehlerstrom-Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung weiter gebildet ist mit einer Recheneinheit (4) zur Auswertung des detektierten Stroms, welche dafür ausgebildet ist, durch ein über einen Ausgang (Mag) ausgebbares Steuersignal den Schalter (39) zum Öffnen und Schließen zu veranlassen.Residual current protection circuit according to Claim 1 , characterized in that the protective circuit is further developed with a computing unit (4) for evaluating the detected current, which is designed to cause the switch (39) to open and close by means of a control signal that can be output via an output (Mag). Fehlerstrom-Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Erreger-Schaltkreis (31) mit einem Eingang (Pol) der Recheneinheit (4) verbunden ist, und - die Schutzschaltung dafür ausgebildet ist, dass durch den Erreger-Schaltkreis (31) über den Eingang (Pol) eine Information bereitgestellt wird, aus der ein Vorzeichenwechsel der Erregerspannung ermittelbar ist.Residual current protection circuit according to Claim 2 , characterized in that - the excitation circuit (31) is connected to an input (pole) of the computing unit (4), and - the protection circuit is designed such that the excitation circuit (31) provides information via the input (pole), from which a change in sign of the excitation voltage can be determined. Fehlerstrom-Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Erreger-Schaltkreis (31), die Induktivität (32) und der erste Widerstand (33) in Serie angeordnet sind.Residual current protective circuit according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the excitation circuit (31), the inductance (32) and the first resistor (33) are arranged in series. Verfahren zur Detektion eines Gleichstroms mittels einer Fehlerstrom-Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Schritte - Öffnen des Schalters (39) bei einem ersten Vorzeichenwechsel der Erregerspannung, - Schließen des Schalters (39) bei dem auf den ersten folgenden Vorzeichenwechsel der Erregerspannung, - Detektieren eines ersten induzierten Ausgleichstroms (Iapp2+), - Öffnen des Schalters (39) bei einem zweiten Vorzeichenwechsel der Erregerspannung, wobei der zweite Vorzeichenwechsel dem ersten entgegengesetzt ist, - Schließen des Schalters (39) bei dem auf den zweiten folgenden Vorzeichenwechsel der Erregerspannung, - Detektieren eines zweiten induzierten Ausgleichstroms (Iapp2-), und - Bilden eines Mittelwerts (Im) des ersten und zweiten induzierten Ausgleichstroms (Iapp2+, Iapp2-).Method for detecting a direct current by means of a residual current protection circuit according to one of the Claims 1 until 4 , comprising the steps of - opening the switch (39) when the excitation voltage changes sign for the first time, - closing the switch (39) when the excitation voltage changes sign following the first, - detecting a first induced compensating current (Iapp2+), - opening the switch (39) when the excitation voltage changes sign for the second time, the second change of sign being opposite to the first, - closing the switch (39) when the excitation voltage changes sign following the second time, - detecting a second induced compensating current (Iapp2-), and - forming an average value (Im) of the first and second induced compensating currents (Iapp2+, Iapp2-). Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Schritte - Überwachung des Stromkreises auf einen DC-Fehlerstrom, - bei Detektion des Auftretens eines Fehlerstroms (Iapp1) Durchführen der Schritte von Anspruch 5 zur Bestimmung eines Wertes für den Fehlerstrom, und - Verwendung des Mittelwerts (Im) von dem ersten und dem zweiten induzierten Ausgleichstrom (Iapp2+, Iapp2-) als Wert für den Fehlerstrom.Procedure according to Claim 5 , characterized by the steps - monitoring the circuit for a DC fault current, - upon detection of the occurrence of a fault current (Iapp1) carrying out the steps of Claim 5 to determine a value for the fault current, and - using the mean value (Im) of the first and second induced compensating currents (Iapp2+, Iapp2-) as the value for the fault current. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte - Überprüfen, ob der Wert des Fehlerstroms eine Schwelle für den zulässigen Fehlerstrom überschreitet, - Ausgeben eines Signals zur Unterbrechung des Stromkreises, wenn die Schwelle überschritten ist.Procedure according to Claim 6 , characterised by the additional steps of - checking whether the value of the fault current exceeds a threshold for the permissible fault current, - issuing a signal to interrupt the circuit when the threshold is exceeded. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass - die Überwachung des Stromkreises auf einen DC-Fehlerstrom mittels Erfassens eines induzierten Ausgleichsstroms (Iapp1) und Überprüfung auf dessen Überschreiten eines Schwellenwerts für die Auslösung erfolgt, und - die Bestimmung eines Wertes für den Fehlerstrom nach Anspruch 6 nur durchgeführt wird, wenn der Schwellenwert für die Auslösung überschritten ist.Procedure according to Claim 6 or 7 , characterized in that - the circuit is monitored for a DC fault current by detecting an induced compensating current (Iapp1) and checking whether it exceeds a threshold value for tripping, and - the determination of a value for the fault current according to Claim 6 is only carried out if the trigger threshold is exceeded. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - zusätzlich eine Überprüfung auf Überschreiten eines Schwellenwerts für eine sofortige Auslösung erfolgt, und - die Bestimmung eines Wertes für den Fehlerstrom nach Anspruch 6 nur durchgeführt wird, wenn der Schwellenwert für die sofortige Auslösung nicht überschritten ist.Procedure according to Claim 8 , characterized in that - in addition, a check is carried out to see whether a threshold value for immediate tripping is exceeded, and - the determination of a value for the fault current according to Claim 6 is only carried out if the threshold for immediate triggering is not exceeded. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch unmittelbares Ausgeben eines Signals zur Unterbrechung des Stromkreises, wenn der Schwellenwert für die sofortige Auslösung überschritten ist.Procedure according to Claim 9 , characterized by immediately issuing a signal to interrupt the circuit when the threshold value for immediate tripping is exceeded. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überwachung des Stromkreises auf einen DC-Fehlerstrom nach Durchführung der Schritte des Anspruchs 5 der Effekt einer dadurch verursachten Magnetisierung des Stromwandlers (1) berücksichtigt wird.Method according to one of the Claims 5 until 9 , characterized in that when monitoring the circuit for a DC fault current after completing the steps of the Claim 5 the effect of any resulting magnetization of the current transformer (1) is taken into account. Computerprogramm, das ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11 durchführt, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.Computer program that implements a method according to one of the Claims 5 until 11 when run on a computer. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm nach Anspruch 12.Computer program product containing a computer program according to Claim 12 . Fehlerstrom-Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (4) dafür ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11 durchzuführen.Residual current protective circuit according to one of the Claims 2 until 4 , characterized in that the computing unit (4) is designed to carry out a method according to one of the Claims 5 until 11 to carry out.
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