DE1095926B

DE1095926B - Fehlerstrom-Schutzschaltung

Info

Publication number: DE1095926B
Application number: DEST15410A
Authority: DE
Inventors: August Stuke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1959-07-31
Filing date: 1959-07-31
Publication date: 1960-12-29
Also published as: CH402138A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanordnungen zum Schutz elektrischer Anlagen, bei denen Fehlerströme mit Hilfe eines Differentialwandlers erfaßt werden, der auf Abweichungen anspricht, bei denen die Summe der Ströme, die zum Verbraucher hin und von ihm zurückfließen, verschieden ist. Beim Auftreten von Fehlerströmen, insbesondere wenn diese Ströme plötzlich in ihrer vollen Größe auftreten, ist es erforderlich, zum Schutz von Mensch und Tier die spannungführenden Masseteile möglichst schnell spannungslos zu machen.

Es sind bereits elektrische Schutzschalter mit einem eine magnetisch auslenkbare Zunge aufweisenden Auslöser zur Überwachung elektrischer Anlagen bekannt, die ansprechen, wenn durch irgendwelche Mangel in der Leiterisolierung Fehlerströme auftreten. Die Abschaltung der Anlage erfolgt dabei in der Weise, daß eine schwingend ausgebildete Zunge des Auslösers auf die Verklinkung des Schutzschalters einwirkt. Da zur Steuerung Wechselstrom Verwendung findet, schwingt diese Zunge hin und her und speichert dabei ein beachtliches Arbeitsvermögen. Wesentlich hierbei ist, daß die Zunge bei plötzlich auftretendem Fehlerstrom erst einige freie Schwingungen ausführt, bevor sie das Auslöseglied betätigt.

Derartige magnetische Anordnungen ohne Nachverstärkung mittels üblicher Verstärkeranordnungen besitzen eine zu geringe Ansprechempfindlichkeit und Ansprechgeschwindigkeit, da die Schaltkraft etwa quadratisch mit dem sekundärseitig vom Wandler gelieferten Strom zu- oder abnimmt, und sowohl Massenbeschleunigung als auch hohe Induktivität der Erregerspule sich nachteilig auswirken. Weiter sind bereits Schutzrelais mit z. B. elektrodynamischen Auslösesystemen bekanntgeworden, deren bewegliche Teile auf einer Mittellage bewegt werden können, wodurch die Auslösung eines Schalters veranlaßt wird. Derartige Anordnungen haben jedoch den Nachteil, daß der Wirkungsgrad verhältnismäßig gering ist.

Gemäß der Erfindung werden die vorgenannten Nachteile dadurch beseitigt, daß der dem Differentialwandler entnommene Fehlerstrom einem elektrodynamischen Tauchspulsystem zugeführt wird. Unter einem derartigen elektrodynamischen Tauchspulsystem wird dabei ein solches System verstanden, bei dem ein stromdurchflossener Leiter als Auslöseorgan eine Bewegung ausführt, insbesondere ein Tauchspulsystem nach Art eines Lautsprechersystems.

Ein derartiges elektrodynamisches Tauchspulsystem gemäß der Erfindung hat eine wesentlich größere An- so Sprechgeschwindigkeit als bekannte Anordnungen, da es mit geringerer Induktivität und kleinerer Masse ■ aufgebaut werden kann. Beispielsweise benötigen die bekannten magnetischen Schaltungsanordnungen zum Fehlerstrom-Sdiutzschaltung

Anmelder:
August Stuke,

Oberbecksen bei Bad Oeynhausen,
Weserstr. 13

August Stuke, Oberbecksen bei Bad Oeynhausen,
ist als Erfinder genannt worden

Abschalten der Anlage bei voller Höhe des auftretenden Fehlerstromes etwa 0,1 see. Dies entspricht bei einer Netzfrequenz von 50 Hz 5 Perioden. Wird ein dynamisches Tauchspulsystem gemäß der Erfindung verwendet, so lassen sich für Wechselstromschaltungen Auslösezeiten von weniger als 0,01 see erzielen, was maximal einer halben Periode entspricht. Hat der Fehlerstrom hierbei das richtige Vorzeichen, so erfolgt ein Ansprechen also bereits nach einer halben Periode; bei umgekehrten Vorzeichen steigt die Auslösezeit auf 0,02 see, also ein Periode an. Um innerhalb einer halben Periode bei vollem Fehlerstrom den Schutzschalter stets zur Auslösung zu bringen, kann das dynamische Tauchspulsystem z. B. über einen Doppelweg-Gleichrichter an den Fehlerstromwandler angeschlossen werden, wodurch unabhängig von der Phasenlage des erregenden Fehlerstromes die Auslenkung bei jeder Halbwelle in der Auslöserichtung erfolgen kann.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber dem Bekannten besteht also darin, daß die Beziehung zwischen Strom und auslenkender Kraft bei dem elektrodynamischen Tauchspulsystem linear ist und die Auslösekraft somit bei abnehmendem Strom wesentlich weniger abnimmt, als dies bei bekannten Ausführungen der Fall ist. Bei richtiger Dimensionierung von Spaltfeldstärke und Windungszahl und bei spezieller Anpassung des dynamischen Tauchspulsystems in bezug auf den Differentialwandler besitzt das Tauchspul-Auslösesystem einen wesentlich besseren elektromechanischen Wirkungsgrad als bei bisher bekannten Ausführungsformen. Hieraus ergibt sich, daß bei der Zuführung der vom Differential-

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wandler abgegebenen Energie zum dynamischen Tauchspulsystem ohne Zwischenschaltung von Verstärkerelementen wie z. B. Transistoren, Thyratrons usw. eine Abschaltung des Fehlerstromschutzschalters auch bei sehr kleinen Fehlerströmen, z. B. kleiner als 0,3 A erzielt wird.

Abgesehen von der hohen Ansprechgeschwindigkeit zeichnet sich der Gegenstand der Erfindung durch seine Einfachheit im Aufbau und seine Unempfindlichkeit hinsichtlich auftretender Störungen gegenüber bekannten Schutzschalteranordnungen aus. Letztere benötigen im allgemeinen zur Erzielung niedrigerer Auslösestromstärken als z. B. 0,3 A Verstärkungen zwischen Wandler und Auslöseorgan. Werden z. B. Thyratrons zur Verstärkung eingesetzt, so treten haufig Störungen infolge Nichtzündens beim Auftreten von vollen Fehlerströmen bzw. durch Selbstzünden bei kapazitiven Schaltvorgängen im Netz auf. Sehr häufig führt auch eine thermische Beanspruchung zum Versagen des Schutzschalters. ao

Bei der Tauchspulanordnung gemäß der Erfindung ist es in bezug auf die entsprechende Kraftwirkung nicht kritisch, an welcher Stelle im Magnetfeld die Tauchspule liegt, solange die Spule im homogenen Feld bleibt. Diese Tatsache ist bei Schutzschaltern von Bedeutung, da bei diesen wegen der empfindlichen Auslösemechanismen eine Justierung erforderlich sein kann. Für eine derartige Justierung wird daher die Ansprechempfindlichkeit im Gegensatz zu bekannten Anordnungen nicht beeinflußt.

Die Erfindung sieht vor, daß der dem Differentialwandler entnommene Fehlerstrom einer Auslösespule eines elektrodynamischen Tauchspulsystems zugeführt wird. Eine Schubstange ist mit dem Auslösespulenkörper verbunden und wirkt entsprechend der Bewegung der Auslösespule auf eine Auslösesperre ein, so daß eine Abschaltung der Anlage erfolgt. Die Auslösespule und die damit verbundene Schubstange sind durch eine Zentrierung auf dem Magnetkern des Tauchspulsystems in axialer Richtung geführt. Diese Zentrierung kann so ausgebildet sein, daß eine Führung innerhalb des Magneten selbst vorgesehen ist, z. B. kann ein zylindrischer Stift, der eine Verlängerung der Schubstange darstellt und mit der Auslösespule fest verbunden ist, in einer Bohrung im Magneten geführt werden. Ferner ist es möglich, die an sich bekannte Zentriervorrichtung zu verwenden, wie sie z. B. bei Lautsprechersystemen verwendet wird. Durch Änderung der beweglichen Masse und der Federung der Zentrierung kann die mechanische Resonanz des elektrodynamischen Tauchspulsystems auf Netzfrequenz abgestimmt werden.

Um die Empfindlichkeit der Anordnung zu erhöhen, kann die Auslösespule bzw. die Schubstange und damit das zugehörige Auslöseorgan ferner eine mechanische Vorspannung in Richtung der Auslösekraft erhalten, die jedoch kleiner als die Auslösekraft selbst ist.

Eine Rückstellung der Auslösespule in die Ruhelage kann selbsttätig oder von Hand erfolgen. Im ersteren Falle geschieht dies beispielsweise mit Hilfe eines Rückstellsystems mit stabiler Anfangslage, dessen Rückstellkraft mit zunehmender Auslenkung abnimmt. Ein Beispiel dieser Art der Fixierung der Auslösespule in der Ruhelage besteht darin, einen An- 6g l:er aus magnetischem Material, z. B. einen Stahl- oder Eisenring, auf dem aus Isoliermaterial bestehenden Spulenkörper vorzusehen. Durch den magnetischen Streufluß des dynamischen Tauchspulsystems wird dieser angezogen und bewirkt damit die Ruhelage der Auslösespule. Hierbei erfährt der Anker gleichzeitig die größte Anziehungskraft durch den Streufluß des Systems. Bei einer Auslenkung der Auslösespule durch einen Fehlerstrom nimmt die Anziehungskraft auf den Ring schnell mit der Entfernung ab. Die Fläche des Ringes wird dabei so abgestimmt, daß in der Nähe des Maximums der Hubbewegung der Auslösespule des Tauchspulsystems eine geringe Anziehungskraft im Verhältnis zur auslenkenden Kraft vorhanden ist. Praktisch steht somit eine große Auslösekraft in dem Bereich, in dem die Auslösesperre anspricht, zur Verfügung.

Die Rückstellung der Auslösespule kann auch in der Weise erzielt werden, daß ein mechanisches Schnappelement, wie es z. B. in Kipp- oder Schnappschaltern Verwendung findet und das zwei stabile Stellungen einnehmen kann, auf den Auslösespulenkörper oder die Schubstange einwirkt. Eine der beiden Stellungen legt dabei die Anfangslage fest.

Schließlich kann die Rückstellung der Auslösespule mittels einer an sich bekannten Zentriervorrichtung erzielt werden.

Es sei noch erwähnt, daß bei einer Speisung mit Wechselstrom eine Auslenkung der Auslösespule entgegen der Auslöserichtung, z. B. durch einen Anschlag, verhindert wird.

Um die Anordnung für verschiedene Auslösestromstärken geeignet zu machen, werden z. B. Vor- oder Neben widerstände zur Einstellung entsprechender Auslösestromstärken in den Stromkreis der Auslösespule gelegt bzw. im magnetischen Kreis verstellbare Kurzschlußbügel vorgesehen. Die Speisung des Tauchspulsystems kann auch mit gleichgerichtetem Fehlerstrom vorgenommen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, in der

Fig. 1 eine Schaltung der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt,

Fig. 2 eine weitere Ausführung der Auslöseanordnung, insbesondere des Tauchspulsystems nach Fig. 1 darstellt,

Fig. 3, 4, 5 in verschiedenen Skizzen verschiedene Schaltungsanordnungen im Zusammenhang mit der Erfindung zeigen und

Fig. 6 eine mechanische Gleichrichtung über ein Hebelsystem zeigt.

In Fig. 1 liegt der Schutzschalter 1 mit seinen Phasen RST und dem Mittelpunktleiter Mp im Zuge der Leitung. Ein in dieser Leitung auftretender Fehlerstrom wird über den Differentialwandler 2 mit den Anschlüssen 12, 13, 14 einer Auslösespule 4 zugeführt, die in den Spalt eines Magneten 3 eintaucht. Tritt in der Anlage kein Fehlerstrom auf, so ist keine Abweichung zwischen den zum Verbraucher 20 hinfließenden und von ihm zurückfließenden Strömen vorhanden. Es entsteht dann kein Strom in der Wicklung des Differentialwandlers 2. Tritt dagegen ein Fehlerstrom auf, z. B. durch einen Isolationsfehler am Verbraucher 20, so fließt von diesem ein Strom zur Stromquelle. In diesem Fall tritt eine Abweichung zwischen den zum Verbraucher hin- und von ihm zurückfließenden Strömen auf. Diese Abweichung ergibt den Fehlerstrom, der als Steuergröße dem Differentialwandler 2 entnommen wird. Die mit der Auslösespule verbundene Schubstange 5 steht über einen Hebelarm 6 mit der Auslösesperre 7 des Schutzschalters 1 in Verbindung. Die Schubstange 5 wird zusammen mit der Auslösespule 4 durch ein Zentrier- und Rückstellorgan 8 in ihrer Lage gehalten und ist nur in axialer Richtung bewegbar. P stellt eine Prüfvorrichtung dar,

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mit deren Hilfe die Funktion des Fehlerstrom-Schutzschalters jederzeit überprüft werden kann.

In Fig. 2 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt, bei der der mittlere Schenkel des Magneten 3 eine Bohrung 10 aufweist, in die ein Stift 9, der die Verlängerung der Schubstange 5 darstellt, eingreift und in ihr geführt wird. Auf dem Auslösespulenkörper der Auslösespule 4 ist ein Ring 11 angebracht, der an Stelle der Zentrierung 8 aus Fig. 1 die Rückführung in die Ruhelage gewährleistet.

Fig. 3 zeigt, wie vor ein System nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 ein Gleichrichter geschaltet ist, der unabhängig von der Phasenlage die richtige Polarität gewährleistet. Zur Einstellung der Ansprechgrenze ist nach Fig. 4 ein Potentiometer 15 in Serie zur Auslösespule 4 bzw. ein Potentiometer 16 parallel zur Auslösespule geschaltet. Die Potentiometer sind von außen am Gehäuse einstellbar. So ist es möglich, eine gewünschte größere Auslösestromstärke einzustellen. Für kleinere Auslösestromstärken, etwa 0,3 A, lassen sich vorschriftsmäßige Erdungswiderstande leicht erzielen und unterliegen nur geringen Schwankungen. Nur bei Auslösestromstärken bis zu 0,3 A ist ein sicherer Brandschutz gewährleistet, da die Stromstärken im allgemeinen nur Funken- oder Lichtbogen ver-Ursachen, deren Energie für eine Brandentwicklung nicht ausreicht.

Fig. 5 stellt eine Gleichrichterschaltung mit Mittelabgriff 14 des Differentialwandlers 2 dar. Entsprechend ist eine Ausführung mit Brückenschaltung möglich.

In Fig. 6 ist eine erfindungsgemäße Anordnung skizziert, bei der zur Betätigung der Auslösesperre über ein Hebelsystem 17, 18, 19 eine mechanische Gleichrichtung erzielt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung mit besonders kurzer Abschaltzeit und hoher Ansprechempfindlichkeit zum Schutz elektrischer Anlagen, in denen Fehlerströme mittels Differentialwandler erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Differentialwandler (2) entnommene Fehlerstrom einem elektrodynamischen Tauchspulsystem (3, 4, 5, 6) zugeführt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Differentialwandler (2) entnommene Fehlerstrom der Auslösespule (4) eines elektrodynamischen Tauchspulsystemes, die auf die Auslösesperre (7) des Schutzschalters einwirkt und damit die Anlage abschaltet, zugeführt wird.

3. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösespule (4) und die mit der Auslösesperre (7) verbundene Schubstange (5) durch eine Zentrierung (8) auf dem Kern des dynamischen Systems in axialer Richtung geführt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zentrierung mittels einer Zentriervorrichtung, wie sie bei Lautsprechersystemen Anwendung findet, vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Resonanz des elektrodynamischen Tauchspulsystems (3, 4, 5, 6) durch Änderung der beweglichen Masse und der Federung der Zentrierung (8) auf Netzfrequenz abstimmbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1. oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Anordnung die Auslösespule (4) bzw. die Schubstange (5) und damit das zugehörige Auslöseorgan (6) eine mechanische Vorspannung in Richtung einer Unterstützung der Auslösekraft erhält.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zentrierung ein mit der Auslösespule (4) verbundenes Glied (9) in einer im elektrodynamischen Tauchspulsystem vorgesehenen zentrischen Führung (10) in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch ein Rückstellsystem mit stabiler Anfangslage, dessen Rückstellkraft mit zunehmender Auslenkung abnimmt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fixierung der Anfangslage der Auslösespule (4) auf dem Auslösespulenkörper ein Anker (11) aus magnetischem Material angebracht ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückstellung der Auslösespule (4) in die Ruhelage auf dem Auslösespulenkörper ein mechanisches Schnappelement mit zwei stabilen Stellungen, deren eine die Anfangslage darstellt, angebracht ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des dynamischen Systems (3, 4, 5, 6) mit gleichgerichtetem Fehlerstrom erfolgt.

12. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung verschiedener Auslösestromstärken Voroder Nebenwiderstände in den Stromkreis der Auslösespule gelegt werden.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung verschiedener Auslösestromstärken Beeinflussungsmöglichkeiten für den magnetischen Kreis, z. B. verstellbare Kurzschlußbügel, vorgesehen sind.

14. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Speisung des dynamischen Systems mit Wechselstrom eine mechanische Gleichrichtung der positiven und negativen Auslenkung mittels eines Hebelsystems (17, 18, 19) erfolgt.

15. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Speisung mit Wechselstrom eine Auslenkung der Auslösespule entgegen der Auslöserichtung, z. B. durch einen Anschlag, verhindert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: österreichische Patentschrift Nr. 131 037.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen