DE112010002226B4

DE112010002226B4 - Verfahren und Vorrichtungen zur Erdschlussüberwachung mittels Multifrequenz-Fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: DE112010002226B4
Application number: DE112010002226.7T
Authority: DE
Inventors: Hugh T. Kinsel
Original assignee: Siemens Industry Inc
Current assignee: Siemens Industry Inc
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2022-12-29
Anticipated expiration: 2030-06-04
Also published as: US20100309592A1; US8908338B2; WO2010141645A1; DE112010002226T5; CN102460880B; CN102460880A

Abstract

Fehlerstromschutzschalter (10, 10a, 10b, 100, 100a, 100b) zur Verwendung mit einem Wechselstromsystem, welches einen Außenleiter (L), einen Null-Leiter (N) und einen Transformator (12) aufweist, wobei der Außenleiter (L) und der Null-Leiter (N) jeweils zwischen einer Quelle und einer Last geschaltet sind und der Null-Leiter (N) an der Quelle mit Erde verbunden ist, wobei der Transformator (12) eine erste Primärwicklung, die mit dem Außenleiter in Reihe geschaltet ist, eine zweite Primärwicklung, die mit dem Null-Leiter (N) in Reihe geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung (20) aufweist, wobei die Einrichtung umfasst:eine geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung (16, 16a, 16b, 22, 22a), die mit der Sekundärwicklung (20) verbunden ist, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung (16, 16a, 16b, 22, 22a):(a) die Sekundärwicklung (20) mit einem multifrequenten AC-Signal beaufschlagt,(b) ein multifrequentes Lastsignal in der Sekundärwicklung (20) überwacht,(c) ein Gleichstromsignal basierend auf dem multifrequenten AC-Signal und dem überwachten multifrequenten Lastsignal erzeugt, und(d) ein erstes Detektionssignal liefert, falls das erzeugte Gleichstromsignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der am 03. Juni 2009 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennr. 61/183,709 , die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
HINTERGRUND
Diese Anmeldung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zur Fehlerstromschutzabschaltungs- (Ground Fault Circuit Interrupt, „GFCI“) Detektion. Insbesondere betrifft diese Anmeldung Verfahren und Vorrichtungen zur Erdschlussüberwachung durch Fehlerstromschutzschalter unter Verwendung von Mehrton- und/oder Mehrfrequenzsignalen, um Null-Leiterschlüsse in elektrischen Stromzweigen von Wechselstromsystemen zu detektieren.
In Stromzweigen von Einphasenwechselstromsystemen werden typischerweise Stromkabel verwendet, welche einen Außenleiter und einen Null-Leiter enthalten, die zwischen einer Quelle und einer Last geschaltet sind, wobei der Null-Leiter an der Quelle geerdet ist. Fehlerstromschutzschalter werden in solchen Stromzweigen installiert, um den Strom bei Detektion von Erdschlussfehlern (Ground Current Faults) vom Außenleiter zu Erde an der Last sowie von Null-Leitererdschlüssen (Grounded Neutral Faults) (z.B. Fehler durch niederimpedante Verbindungen) zwischen dem Null-Leiter und Erde an der Last zu unterbrechen. Fehlerstromschutzschalter gewährleisten Sicherheit durch Schutz vor Stromschlag und werden vor allem in Steckdosen in Küchen, Badezimmern und Außenbereichen verwendet, wo Wasser oder Feuchtigkeit die Gefahr von Stromschlägen verursachen können. Fehlerstromschutzschalter werden auch in Leistungsschaltern verwendet, welche die besagten Bereiche schützen.
Fehlerstromschutzschalter verwenden typischerweise einen Differenzstromtransformator, um Strom-Unsymmetrien im Außen- und Null-Leiter zu erfassen, die aus einem Erdleckstrom vom Außenleiter resultieren, der über einen unbeabsichtigten, von dem Null-Leiter verschiedenen Erdschlusspfad zur Quelle zurückfließt. Um eine Verletzung durch Stromschlag zu verhindern, muss der Fehlerstromschutzschalter eine Stromkreisunterbrechung bereits auslösen, wenn die Stromdifferenz im Außen- und Null-Leiter lediglich 5 Milliampere beträgt.
Falls ein Null-Leitererdschluss auftritt, erfasst der Differenzstromtransformator möglicherweise nicht die tatsächliche Größe des Erdleckstroms. Insbesondere kann, da der Null-Leiter typischerweise an der Quelle geerdet ist, ein Teil des Erdleckstroms über den Null-Leiter zur Quelle zurückfließen. Infolgedessen würde die Stromdifferenz in dem Differenzstromtransformator nicht genau der tatsächlichen Größe des Erdleckstroms entsprechen. Somit kann ein Null-Leitererdschluss die Empfindlichkeit des Differenzstromsensors verringern, so dass der Fehlerstromschutzschalter nur in Reaktion auf wesentlich höhere Pegel des Erdleckstroms auslösen würde.
Um diesem Problem Rechnung zu tragen, verwenden viele vorbekannte Fehlerstromschutzschalter einen zweiten Transformator am Null-Leiter, um Null-Leitererdschlüsse zu erfassen. In solchen Einrichtungen bildet, falls ein Fehler durch eine niederimpedante Verbindung zwischen dem Null-Leiter und Erde vorhanden ist, der Fehlerstromschutzschalter einen Oszillator, dessen Ausgangssignal unter Verwendung des zweiten Transformators mit dem Differenzstromtransformator gekoppelt ist. Das Oszillatorsignal wird anschließend verwendet, um Null-Leitererdschlüsse zu erfassen. Bei Erfassung eines Null-Leitererdschlusses unterbricht der Fehlerstromschutzschalter den Strom in dem Wechselstromsystem.
Alternativ dazu verwenden einige vorbekannte Fehlerstromschutzschalter einen einzigen Transformator, um Erdschlussfehler und Null-Leitererdschlüsse zu erfassen. Zum Beispiel beschreibt die US-Patentschrift Nr. 4,001,646 von Howell mit dem Titel „Ground Fault Circuit Interrupter Utilizing A Single Transformer“ einen Fehlerstromschutzschalter, welche einen einzigen Transformator verwendet, um Erdschlussfehler und Null-Leitererdschlüsse zu erfassen. Insbesondere verwendet Howell ein Negativwiderstands-Netzwerk, um ein Schwingungssignal zu bilden, welches wächst, sofern nicht ein Fehler durch eine niederimpedante Verbindung zwischen dem Null-Leiter und Erde vorhanden ist.
Andere Fehlerstromschutzschalter mit einem einzigen Transformator, wie etwa diejenige, die in der ebenfalls anhängigen, am 13. Mai 2020 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennr. 12/779,406 und dem Titel „METHODS AND APPARATUS FOR GROUND FAULT CIRCUIT INTERRUPT DETECTION USING A SINGLE TRANSFORMATOR“, welche hier in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke durch Bezugnahme eingeschlossen ist, erfassen Null-Leitererdschlüsse, indem sie einen einzigen Transformator unter Verwendung einer AC-Quelle (z.B. einer Wechselspannungsquelle) ansteuern und den Laststrom im Transformator überwachen.
Aus der US 4 001 646 A bekannt ist eine Erdschlussstromkreisunterbrechungsvorrichtung, die in der Lage ist, Erdschlüsse auf den Leitungs- und Neutralleitern eines Stromverteilungsstromkreises zu erkennen und diesen Stromkreis zu unterbrechen, wenn diese Erdschlüsse einen gefährlichen Charakter haben.
Ferner ist aus der EP 1 533 880 A1 eine Differentialschutzvorrichtung mit einer Verarbeitungseinheit mit einem Eingang zum Empfangen eines Signals, das einen Differenzfehler repräsentiert und von einem Differenzstrom-Messwandler geliefert wird, und einem Ausgang zum Liefern eines Auslösesignals an ein Auslöserelais, wenn das Signal, das einen Differenzfehler repräsentiert, einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, und eine Erregungsschaltung zum Erregen eines Magnetkreises des Differenzstrom-Messwandlers mit einem Erregungssignal bei einer ersten Erregungsfrequenz, bekannt.
In einigen vorbekannten Fehlerstromschutzschalter mit zwei Transformatoren und mit einem Transformator ist der Oszillator oder die AC-Quelle ständig, periodisch oder nur, wenn ein Null-Leitererdschluss auftritt, in Betrieb. Die meisten vorbekannten Fehlerstromschutzschalter verwenden einen Oszillator oder eine AC-Quelle, welche(r) ein einfrequentes AC-Signal mit einer relativ hohen Frequenz verwendet, und einen Komparator, welcher auslöst, wenn ein Schwellenwertpegel überschritten wird. Viele solche Fehlerstromschutzschalter sind anfällig gegenüber Störsignalen, welche die Erfassung von Null-Leitererdschlüssen verhindern können oder fälschlicherweise als Null-Leitererdschluss erfasst werden können, wodurch der Wechselstrom unnötigerweise unterbrochen wird (was gewöhnlich als Fehlauslösung bezeichnet wird).
Insbesondere kann ein Wechselstromsystem Laststromkreise aufweisen, die Signale erzeugen, welche Fehlerstromschutzschalter störend beeinflussen. Zum Beispiel können Motoren (insbesondere Motoren mit variabler Drehzahl), Drehschalter in Lichtdimmern oder Drehzahlregler von Lüftern sowie Leuchtstofflampen solche Störsignale erzeugen. Typischerweise weisen die Störsignale eine Frequenz auf, die wesentlich höher ist als die Frequenz des Wechselstromsystems von 50 oder 60 Hz. Die Schaltungsanordnung in Fehlerstromschutzschaltern, die verwendet wird, um Erdleckstrom zu erfassen, enthält typischerweise eine Tiefpassfilterung, welche verhindert, dass hochfrequente Störsignale den Detektor stören. Ein Detektor für Null-Leitererdschlüsse, welcher ein Detektionsverfahren mit einem einfrequenten AC-Signal mit höherer Frequenz verwendet, ist jedoch gegenüber solchen hochfrequenten Störsignalen anfällig.
Dementsprechend sind verbesserte Fehlerstromschutzschalter wünschenswert.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Fehlerstromschutzschalter zur Verwendung mit einem Wechselstromsystem bereitgestellt, welches einen Außenleiter, einen Null-Leiter und einen Transformator aufweist. Der Außenleiter und der Null-Leiter sind jeweils zwischen einer Quelle und einer Last geschaltet, und der Null-Leiter ist an der Quelle mit Erde verbunden. Der Transformator weist eine erste Primärwicklung, die mit dem Außenleiter in Reihe geschaltet ist, eine zweite Primärwicklung, die mit dem Null-Leiter in Reihe geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung auf. Die Einrichtung weist eine geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung auf, die mit der Sekundärwicklung verbunden ist. Die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung:

(a) beaufschlagt die Sekundärwicklung mit einem multifrequenten AC-Signal, (b) überwacht ein multifrequentes Lastsignal in der Sekundärwicklung, und (c) liefert ein erstes Detektionssignal, falls das überwachte Lastsignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Zahlreiche weitere Aspekte werden ebenfalls bereitgestellt.

In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Fehlerstromschutzschalter zur Verwendung mit einem Wechselstromsystem bereitgestellt, welches einen Außenleiter, einen Null-Leiter und einen Transformator aufweist. Der Außenleiter und der Null-Leiter sind jeweils zwischen einer Quelle und einer Last geschaltet, und der Null-Leiter ist an der Quelle mit Erde verbunden. Der Transformator weist eine erste Primärwicklung, die mit dem Außenleiter in Reihe geschaltet ist, eine zweite Primärwicklung, die mit dem Null-Leiter in Reihe geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung auf. Die Einrichtung weist eine geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung auf, die mit der Sekundärwicklung verbunden ist. Die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung weist auf: (a) eine AC-Signalquelle, welche die Sekundärwicklung mit einem multifrequenten AC-Signal beaufschlagt, (b) eine Detektorschaltung, welche ein multifrequentes Lastsignal in der Sekundärwicklung überwacht, und (c) einen Prozessor, welcher ein erstes Detektionssignal liefert, falls das überwachte Lastsignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
In einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Fehlerstromschutzabschaltungs-Detektion zur Verwendung mit einem Wechselstromsystem bereitgestellt, welches einen Außenleiter, einen Null-Leiter und einen Transformator aufweist. Der Außenleiter und der Null-Leiter sind jeweils zwischen einer Quelle und einer Last geschaltet, und der Null-Leiter ist an der Quelle mit Erde verbunden. Der Transformator weist eine erste Primärwicklung, die mit dem Außenleiter in Reihe geschaltet ist, eine zweite Primärwicklung, die mit dem Null-Leiter in Reihe geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung auf. Das Verfahren umfasst: (a) für ein erstes vorbestimmtes Zeitintervall, (i) Überwachen eines Stroms in der Sekundärwicklung, und (ii) Liefern eines ersten Detektionssignals, falls der überwachte Sekundärstrom einen ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet; und (b) für ein zweites vorbestimmtes Zeitintervall, (i) Beaufschlagen der Sekundärwicklung mit einer multifrequenten Wechselspannung oder einem multifrequenten Wechselstrom; (ii) Überwachen eines multifrequenten Laststroms in oder einer multifrequenten Spannung über der Sekundärwicklung; und (iii) Verarbeiten des multifrequenten Ansteuersignals mit dem multifrequenten überwachten Signal, um zu bestimmen, ob ein niederimpedanter Null-Leitererdschluss kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist.
In einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Fehlerstromschutzschalter zur Verwendung mit einem Wechselstromsystem bereitgestellt, welches einen Außenleiter, einen Null-Leiter, einen ersten Transformator und einen zweiten Transformator aufweist. Der Außenleiter und der Null-Leiter sind jeweils zwischen einer Quelle und einer Last geschaltet, und der Null-Leiter ist an der Quelle mit Erde verbunden. Der erste Transformator weist eine erste Primärwicklung, die mit dem Außenleiter in Reihe geschaltet ist, eine zweite Primärwicklung, die mit dem Null-Leiter in Reihe geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung auf. Der zweite Transformator weist eine erste Primärwicklung, die mit dem Null-Leiter in Reihe geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung auf. Die Einrichtung weist eine multifrequente Signaltreiberschaltung, die mit der Sekundärwicklung des zweiten Transformators verbunden ist, und eine geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung, die mit der Sekundärwicklung des ersten Transformators verbunden ist, auf. Die multifrequente Signaltreiberschaltung beaufschlagt die Sekundärwicklung des zweiten Transformators mit einem multifrequenten AC-Signal. Die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung weist auf: (a) eine Detektorschaltung, welche ein multifrequentes Lastsignal in der Sekundärwicklung des zweiten Transformators überwacht, und (b) einen Prozessor, welcher ein erstes Detektionssignal liefert, falls das überwachte Lastsignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, den beigefügten Ansprüchen und den zugehörigen Zeichnungen noch besser ersichtlich.
Figurenliste
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung noch klarer verständlich, die in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gegeben wird, in denen dieselben Bezugszeichen durchgehend dieselben Elemente bezeichnen und in denen:

1 ein Blockschaltbild eines beispielhaften Mehrfrequenz-Fehlerstromschutzschalters mit einem Transformator gemäß dieser Erfindung ist;
2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften multifrequenten Signals zur Verwendung mit Fehlerstromschutzschaltern gemäß dieser Erfindung ist;
3 eine schematische Darstellung eines alternativen beispielhaften multifrequenten Signals zur Verwendung mit Fehlerstromschutzschaltern gemäß dieser Erfindung ist;
4 ein detaillierteres Blockschaltbild eines beispielhaften Mehrfrequenz-Fehlerstromschutzschalters mit einem Transformator gemäß dieser Erfindung ist;
5 einen beispielhaften Vollweggleichrichter-Mischer zur Verwendung mit der beispielhaften Einrichtung von 4 zeigt;
6 ein Blockschaltbild eines alternativen beispielhaften multifrequenten Fehlerstromschutzschalters mit einem Transformator gemäß dieser Erfindung ist;
7 ein Blockschaltbild eines beispielhaften Mehrfrequenz-Fehlerstromschutzschalters mit zwei Transformatoren gemäß dieser Erfindung ist;
8 ein detaillierteres Blockschaltbild eines beispielhaften multifrequenten Fehlerstromschutzschalters mit zwei Transformatoren gemäß dieser Erfindung ist;
9 ein Blockschaltbild eines anderen alternativen beispielhaften multifrequenten Fehlerstromschutzschalters mit einem Transformator gemäß dieser Erfindung ist; und
10 ein Blockschaltbild eines alternativen beispielhaften Mehrfrequenz-Fehlerstromschutzschalters mit zwei Transformatoren gemäß dieser Erfindung ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung stellt verbesserte Fehlerstromschutzschalter bereit, welche Multiton- und multifrequente AC-Signale verwenden, um Null-Leitererdschlüsse in einem Wechselstromsystem zu detektieren. Insbesondere weisen Fehlerstromschutzschalter gemäß dieser Erfindung einen Transformator, eine Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung und eine geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung auf. Während eines ersten vorbestimmten Zeitintervalls überwacht die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung einen ersten Strom in einer Sekundärwicklung des Transformators, um zu bestimmen, ob ein Erdleckstrom einen ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Falls der erste Schwellenwert überschritten wird, unterbricht der Fehlerstromschutzschalter das Wechselstromsystem.
Während eines zweiten vorbestimmten Zeitintervalls beaufschlagt die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung die Sekundärwicklung des Transformators mit einem multifrequenten AC-Signal (z.B. Spannung oder Strom) und detektiert ein multifrequentes AC-Signal (z.B. einen Laststrom oder eine induzierte Spannung) in der Sekundärwicklung des Transformators, um zu bestimmen, ob ein niederimpedanter Null-Leitererdschluss kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist. Insbesondere verarbeitet (z.B. mischt oder kreuzkorreliert) die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das multifrequente Ansteuersignal mit dem detektierten multifrequenten Signal, um die Detektion in Gegenwart von Störsignalen und/oder Rauschen zu verbessern.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein erster beispielhafter Fehlerstromschutzschalter gemäß dieser Erfindung beschrieben. Ein Fehlerstromschutzschalter 10 umfasst einen Transformator 12, eine Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14, eine multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 und eine Unterbrechungsschaltung 18. Der Transformator 12 ist ein Differenzstromtransformator mit einem Ringkern und einer Sekundärwicklung 20. Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass auch andere Differenzstromtransformatoren verwendet werden können.
Ein Außenleiter L und ein Null-Leiter N eines Wechselstromsystems verlaufen durch den Ringkern des Transformators 12 hindurch als Primärwicklungen mit einer Windung. Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass der Außenleiter L und der Null-Leiter N stattdessen auch als Primärwicklungen des Transformators 12 mit mehreren Windungen ausgebildet sein können. Der Außenleiter L und der Null-Leiter N sind jeweils zwischen einer Quelle („QUELLE“) und einer Last („LAST“) geschaltet, und der Null-Leiter N ist an der QUELLE mit Erde verbunden.
Die Sekundärwicklung 20 ist mit einer Eingangsklemme der Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14 und einer Ausgangsklemme der multifrequenten geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 verbunden. Die Sekundärwicklung 20 kann eine einzelne Wicklung mit N_s Windungen sein, wie in 1 dargestellt. Alternativ dazu kann die Sekundärwicklung 20 eine erste Sekundärwicklung mit N_S1 Windungen, die mit einer Eingangsklemme der Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14 verbunden ist, und eine zweite Sekundärwicklung mit N_S2 Windungen, die mit einer Eingangsklemme der multifrequenten geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 verbunden ist, enthalten.
Bei noch anderen Ausführungsformen kann die Sekundärwicklung 20 eine einzige Wicklung enthalten, welche einen ersten abgegriffenen Ausgang, der mit einer Eingangsklemme der Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14 verbunden ist, und einen zweiten abgegriffenen Ausgang, der mit einer Eingangsklemme der multifrequenten geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 verbunden ist, aufweist. Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass auch andere, ähnliche Wicklungskonfigurationen verwendet werden können.
Gemäß dieser Erfindung detektiert der Fehlerstromschutzschalter 10 Außenleitererdschlüsse an der Last, als R_L2G angegeben, und niederimpedante Null-Leitererdschlüsse an der Last, als R_G2N angegeben, durch Überwachung von Signalen an der Sekundärwicklung 20 des Transformators 12.
Insbesondere führt der Erdleckstrom I_L2G, der durch einen Außenleitererdschluss R_L2G fließt, zu einem Differenzstrom durch den Transformator 12. Der Differenzstrom bewirkt, dass die Sekundärwicklung 20 einen Strom I_s leitet, welcher gleich dem Erdleckstrom I_L2G, dividiert durch die Anzahl der Windungen N_s der Sekundärwicklung 20 ist: $I_{s} = \frac{I_{L 2 G}}{N_{s}}$
Daher kann durch Überwachung des Sekundärstroms I_s und dadurch, dass das Windungsverhältnis N_s bekannt ist, der Erdleckstrom I_L2G aus Gleichung (1) bestimmt werden.
Außerdem können niederimpedante Null-Leitererdschlüsse R_G2N bestimmt werden, indem die Sekundärwicklung 20 mit einem multifrequenten AC-Signal (z.B. einer Spannung oder einem Strom) beaufschlagt wird und ein entsprechendes Lastsignal (z.B. ein Strom oder eine Spannung) an der Sekundärwicklung 20 des Transformators 12 überwacht wird.
Ein niederimpedanter Null-Leitererdschluss R_G2N erscheint als eine relativ niedrige Impedanz an der Sekundärwicklung 20. Insbesondere erscheint unter der Annahme, dass R_L2G wesentlich größer als R_G2N ist, die Impedanz Z_s des Transformators 12 an der Sekundärwicklung als: $Z_{s} = N_{s}^{2} R_{G 2 N}$
Somit beträgt, wenn die Sekundärwicklung 20 mit einer multifrequenten Wechselspannung V_ac beaufschlagt wird, der Laststrom I_ac, der erforderlich ist, um die Sekundärwicklung 20 zu beaufschlagen: $I_{a c} = \frac{V_{a c}}{Z_{s}}$
Daher kann R_G2N durch Überwachung des Laststroms I_ac aus den Gleichungen (2) und (3) berechnet werden.
Gemäß dieser Erfindung detektiert die Erdfehler-Detektorschaltung 14 einen Erdleckstrom I_L2G durch Überwachung des Differenzstroms im Transformator 12. Insbesondere überwacht während eines ersten vorbestimmten Zeitintervalls T1 die Erdfehler-Detektorschaltung 14 den Strom I_s in der Sekundärwicklung 20. Das erste vorbestimmte Zeitintervall T1 kann etwa 100 Millisekunden betragen, allgemeiner zwischen etwa 1 und 560 Millisekunden, obwohl auch andere Zeitintervalle verwendet werden können. Durch Überwachung des Sekundärstroms I_s und dadurch, dass das Windungsverhältnis N_s bekannt ist, kann der Erdleckstrom I_L2G aus Gleichung (1) bestimmt werden.
Somit erzeugt, wenn der überwachte Sekundärstrom I_s anzeigt, dass der Erdleckstrom I_L2G einen ersten vorbestimmten Wert überschritten hat, die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14 an einer Ausgangsklemme ein erstes Detektionssignal GCF, welches bewirkt, dass die Unterbrechungsschaltung 18 den Außenleiter L öffnet und dadurch das Wechselstromsystem unterbricht.
Zum Beispiel kann das Signal GCF normalerweise LOW sein, kann jedoch von LOW zu HIGH wechseln, wenn der Erdleckstrom I_L2G den ersten vorbestimmten Wert überschreitet. Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass stattdessen auch das Signal GCF normalerweise HIGH sein kann, jedoch von HIGH zu LOW wechseln kann, wenn der Erdleckstrom I_L2G den ersten vorbestimmten Wert überschreitet.
Nach dem ersten vorbestimmten Zeitintervall T1 beaufschlagt die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 die Sekundärwicklung 20 während eines zweiten vorbestimmten Zeitintervalls T2 mit einem multifrequenten AC-Signal, um niederimpedante Null-Leitererdschlüsse R_G2N zu überwachen. Das zweite vorbestimmte Zeitintervall T2 kann etwa 5 Millisekunden betragen, allgemeiner zwischen etwa 0,1 und 17 Millisekunden, obwohl auch andere Dauern verwendet werden können. Zum Beispiel beaufschlagt während des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls T2 die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 die Sekundärwicklung 20 des Transformators mit einer multifrequenten Wechselspannung, die eine festgelegte Größe und einen festgelegten Frequenzinhalt hat.
Ein beispielhaftes multifrequentes Wechselspannungssignal V_ac ist in 2 dargestellt. In dem dargestellten Beispiel weist das multifrequente Wechselspannungssignal V_ac drei Intervalle INT1, INT2 und INT3 auf, wobei jedem Intervall eine entsprechende eindeutige Frequenz zugeordnet ist. Somit hat das Spannungssignal V_ac im ersten Intervall INT1 eine erste Frequenz f₁. Im zweiten Intervall INT2 hat das Spannungssignal V_ac eine zweite Frequenz f₂, die von der ersten Frequenz f₁ verschieden ist. Im dritten Intervall INT3 hat das Spannungssignal V_ac eine Frequenz f₃, welche von der ersten Frequenz f₁ und der zweiten Frequenz f₂ verschieden ist.
Zum Beispiel können die Frequenzen f₁, f₂ und f₃ 40 kHz, 50 kHz bzw. 60 kHz betragen, und die Intervalle INT1, INT2 und INT3 können im Wesentlichen dieselbe Dauer haben. Die Intervalle INT1, INT2 und INT3 können eine Dauer von jeweils etwa 1,2 Millisekunden, allgemeiner zwischen etwa 0,03 und 5,6 Millisekunden haben, obwohl auch andere Zeitintervalle verwendet werden können. Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass auch andere Wellenformen verwendet werden können (z.B. rechteckige, dreieckige und andere Wellenformen), andere Frequenzen verwendet werden können, mehr oder weniger als drei Intervalle verwendet werden können, und dass die Dauern der Intervalle nicht gleich sein müssen.
Der Laststrom I_ac, der erforderlich ist, um die Sekundärwicklung 20 zu beaufschlagen, ist, wie oben in Gleichung (3) dargelegt, gleich dem multifrequenten Wechselspannungssignal V_ac, dividiert durch die Impedanz Z_s des Transformators 12. Aufgrund der Gleichungen (2) und (3) kann der Laststrom I_ac wie folgt geschrieben werden: $I_{a c} = \frac{V_{a c}}{(N_{s}^{2} R_{G 2 N})}$
Im Idealfall ist R_G2N unendlich, und der Laststrom I_ac ist null. Falls jedoch ein niederimpedanter Null-Leitererdschluss vorliegt, ist R_G2N nicht unendlich und kann recht niedrig sein. Wenn R_G2N sich verringert, erhöht sich der Laststrom I_ac. Somit können, indem der Laststrom I_ac bestimmt wird, niederimpedante Null-Leitererdschlüsse R_G2N detektiert werden.
Im Idealfall entspricht ein von null verschiedener Strom, der in der Sekundärwicklung 20 fließt, einem Laststrom I_ac. Die Sekundärwicklung 20 kann jedoch auch einen Strom I_int leiten, der durch ein Störsignal verursacht wird (z.B. von einer in der Nähe befindlichen Last, wie etwa einem Vorschaltgerät, das für eine Leuchtstofflampe verwendet wird, einem Motor mit variabler Drehzahl, einem Dimmer mit Drehregler, oder ein anderes ähnliches Störsignal), und der Störstrom kann die Detektion des Laststroms I_ac beeinträchtigen. Somit kann der detektierte Laststrom I_ac' ausgedrückt werden als: $I_{ac}' = I_{ac} + I_{int},$
wobei I_ac der Laststrom ist, der einem niederimpedanten Null-Leitererdschluss R_G2N entspricht, und I_int ein unerwünschtes Störsignal ist.
Bei herkömmlichen Fehlerstromschutzschaltern kann das Vorhandensein eines Störsignals I_int die Detektion eines niederimpedanten Null-Leitererdschlusses verhindern oder eine falsche Detektion solcher Fehler verursachen. Im Gegensatz dazu ermöglichen die Verfahren und Vorrichtungen gemäß dieser Erfindung die Detektion von niederimpedanten Null-Leitererdschlüssen in Gegenwart eines Störsignals und reduzieren die falsche Detektion von niederimpedanten Null-Leitererdschlüssen infolge eines solchen Störsignals wesentlich.
Insbesondere erleichtert die multifrequente Natur des Wechselspannungssignals V_ac die Detektion eine Laststroms I_ac sogar in Gegenwart eines Störsignals I_int. Der Laststrom I_ac ist, wie das Wechselspannungssignal V_ac, ein multifrequentes Signal. Wenn zum Beispiel das in 2 dargestellte beispielhafte multifrequente Wechselspannungssignal V_ac mit drei Intervallen verwendet wird, um die Sekundärwicklung 20 zu beaufschlagen (und unter der Annahme der Linearität), weist der Laststrom I_ac dann in ähnlicher Weise drei Intervalle auf, wobei jedem Intervall eine entsprechende eindeutige Frequenz zugeordnet ist. Die multifrequente Natur des Laststroms I_ac ermöglicht es, das Signal von einem Störsignal I_int zu diskriminieren, welches in dem detektierten Laststrom I_ac' möglicherweise vorhanden ist.
Wie weiter unten ausführlicher beschrieben ist, können zahlreiche Techniken angewendet werden, um den Laststrom I_ac von dem Störsignal I_int zu diskriminieren. Gemäß einer beispielhaften Technik kann der detektierte Laststrom I_ac' mit einem Wechselspannungssignal V_ac gemischt werden, und die Gleichstromkomponente des gemischten Ausgangssignals kann mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen werden.

Zum Beispiel enthalten, wenn das beispielhafte multifrequente Wechselspannungssignal V_ac von 2 verwendet wird, um die Sekundärwicklung 20 zu beaufschlagen, sowohl das multifrequente Wechselspannungssignal V_ac als auch der Laststrom I_ac drei Intervalle, mit einer entsprechenden eindeutigen Frequenz f₁, f₂ und f₃ in jedem Intervall. Wenn das Störsignal I_int eine Frequenz f_int hat, und wenn der detektierte Laststrom I_ac' mit dem multifrequenten Wechselspannungssignal V_ac gemischt (z.B. multipliziert) wird und angenommen wird, dass keine Phasenverzögerung zwischen dem Wechselspannungssignal V_ac und dem detektierten Laststrom I_ac' vorhanden ist, hat das resultierende, drei Intervalle aufweisende gemischte Ausgangssignal die folgenden Frequenzkomponenten: Tabelle 1: Frequenzkomponenten des gemischten Ausgangssignals

Intervall	V _ac	I _ac '	V _ac × I _ac '
1	f₁	f₁+ f_int	DC + 2f₁ + (f₁ + f_int) + (f₁ - f_int)
2	f₂	f₂ + f_int	DC + 2f₂ + (f₂ + f_int) + (f₂ - f_int)
3	f₃	f₃ + f_int	DC + 2f₃ + (f₃ + f_int) + (f₃ - f_int)

Somit enthält für jedes Intervall das gemischte Ausgangssignal eine Gleichstromkomponente, plus Komponenten mit höherer Frequenz. Falls fint nicht gleich f₁, f₂ oder f₃ ist, ist die Gleichstromkomponente in jedem Intervall gleich: $Gleichstromkomponente = \frac{\frac{1}{2}}{(N_{s}^{2} R_{G 2 N})} .$
Falls die Gleichstromkomponente in einem Intervall ein vorbestimmtes Schwellenwertsignal überschreitet (was anzeigt, dass R_G2N kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist), kann ein niederimpedanter Null-Leitererdschluss vorliegen. Um falsche Positive zu vermeiden, welche auftreten können, wenn f_int nahe bei einem oder mehreren von f₁, f₂ oder f₃ liegt, kann der Vergleich für alle drei Intervalle durchgeführt werden. Falls die Gleichstromkomponente den vorbestimmten Schwellenwert in wenigstens zwei der drei Intervalle überschreitet, erzeugt die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 an einer Ausgangsklemme ein zweites Detektionssignal GNF, welches bewirkt, dass die Unterbrechungsschaltung 18 den Außenleiter L öffnet und dadurch das Wechselstromsystem unterbricht.
Zum Beispiel kann das Signal GNF normalerweise LOW sein, kann jedoch von LOW zu HIGH wechseln, wenn der Laststrom I_ac den zweiten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass stattdessen auch das Signal GNF normalerweise HIGH sein kann, jedoch von HIGH zu LOW wechseln kann, wenn der Laststrom I_ac den zweiten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Im Allgemeinen kann das Wechselspannungssignal V_ac M Frequenzintervalle aufweisen, wobei M = 3, 4, 5, ... sein kann, und die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 kann die extrahierten Gleichstromkomponenten in jedem der M Intervalle mit einem vorbestimmten Schwellenwert vergleichen.
Falls der vorbestimmte Schwellenwert in mindestens N der M verschiedenen Intervalle überschritten wird, wobei N ≤ M ist, kann die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 an einer Ausgangsklemme ein zweites Detektionssignal GNF erzeugen, welches bewirkt, dass die Unterbrechungsschaltung 18 den Außenleiter L öffnet und dadurch das Wechselstromsystem unterbricht.
Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 stattdessen auch die Sekundärwicklung 20 mit einem multifrequenten Wechselstrom beaufschlagen kann, der eine festgelegte Größe I_ac und einen festgelegten Frequenzinhalt hat, und die Ansteuerspannung V_ac über der Sekundärwicklung 20 überwachen kann. Die überwachte Ansteuerspannung V_ac kann mit dem Ansteuerstrom I_ac gemischt werden, und die Gleichstromkomponente des resultierenden Ausgangssignals kann in mehreren Intervallen mit einem vorbestimmten Schwellenwertsignal verglichen werden, wie oben beschrieben.
Bei einer alternativen beispielhaften Technik gemäß dieser Erfindung können Kreuzkorrelationstechniken angewendet werden, um niederimpedante Null-Leitererdschlüsse R_G2N zu detektieren. Solche Techniken können von Nutzen sein, um einen multifrequenten Laststrom I_ac von Störung plus Rauschen zu diskriminieren, und können die Empfindlichkeit gegenüber Phasendifferenzen zwischen einem multifrequenten Wechselspannungssignal V_ac und einem detektierten Laststrom I_ac' reduzieren.
Bei einer Kreuzkorrelationstechnik wird der detektierte Laststrom I_ac' mit dem multifrequenten Wechselspannungssignal V_ac kreuzkorreliert, um ein Kreuzkorrelations-Ausgangssignal zu erzeugen. Zum Beispiel können digitale Abtastwerte des Laststroms I_ac' mit digitalen Abtastwerten des multifrequenten Wechselspannungssignals V_ac kreuzkorreliert werden. Falls das Kreuzkorrelations-Ausgangssignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 an einer Ausgangsklemme ein zweites Detektionssignal GNF erzeugen, welches bewirkt, dass die Unterbrechungsschaltung 18 den Außenleiter L öffnet und dadurch das Wechselstromsystem unterbricht.
Zusätzlich zur Anwendung von Kreuzkorrelationstechniken kann der Frequenzinhalt des multifrequenten Wechselspannungssignals V_ac erhöht werden, was die Leistungsfähigkeit der Detektion noch weiter verbessern kann. Zum Beispiel zeigt 3 ein alternatives beispielhaftes multifrequentes Wechselspannungssignal V_ac, im Wesentlichen in der Form eines „Chirp“-Signals. Bei einem Chirp-Signal ändert sich die Frequenz kontinuierlich, und es enthält eine unendliche Anzahl von Frequenzen.
Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass auch andere, ähnliche Techniken und andere, ähnliche multifrequente AC-Signale verwendet werden können, um einen multifrequenten Laststrom I_ac von einer unerwünschten Störung und/oder einem unerwünschten Rauschen zu diskriminieren.
Es wird erneut auf 1 Bezug genommen; nach dem zweiten vorbestimmten Zeitintervall T2 hört die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 auf, die Sekundärwicklung 20 zu beaufschlagen, und die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14 beginnt wieder, den in dem Transformator 12 fließenden Differenzstrom zu überwachen. Dieser Prozess wiederholt sich auf eine iterative Weise, um kontinuierlich Außenleitererdschlüsse und niederimpedante Null-Leitererdschlüsse zu detektieren.

Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 alternativ dazu die Sekundärwicklung 20 während aufeinanderfolgender zweiter vorbestimmter Zeitintervalle T2 mit unterschiedlichen AC-Signalfrequenzen beaufschlagen kann. Zum Beispiel ist Folgendes möglich:

Erstes Intervall T1	Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14 überwacht den im Transformator 12 fließenden Differenzstrom
Erstes Intervall T2	Multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 beaufschlagt Sekundärwicklung 20 mit AC-Signal mit Frequenz f₁
Zweites Intervall T1	Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14 überwacht den im Transformator 12 fließenden Differenzstrom
Zweites Intervall T2	Multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 beaufschlagt Sekundärwicklung 20 mit AC-Signal mit Frequenz f₂
Drittes Intervall T1	Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14 überwacht den im Transformator 12 fließenden Differenzstrom
Drittes Intervall T2	Multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 beaufschlagt Sekundärwicklung 20 mit AC-Signal mit Frequenz f₃
...	...

Wie oben beschrieben, wird die Unterbrechungsschaltung 18 verwendet, um auf der Basis des ersten und zweiten Detektionssignals GCF bzw. GNF den Außenleiter L zu öffnen und dadurch das Wechselstromsystem zu unterbrechen. Insbesondere weist die Unterbrechungsschaltung 18 eine erste Eingangsklemme, die mit dem Außenleiter L an der QUELLE verbunden ist, eine zweite Eingangsklemme, die mit einer Ausgangsklemme der Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14 und mit einer Ausgangsklemme der multifrequenten geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16 verbunden ist, und eine Ausgangsklemme, die mit der dem Außenleiter L zugeordneten Primärwicklung des Transformators 12 verbunden ist, auf.
Die erste Eingangsklemme ist normalerweise mit der Ausgangsklemme der Unterbrechungsschaltung 18 verbunden, sofern nicht das Signal an der zweiten Eingangsklemme einen vorbestimmten Wert hat (z.B. HIGH). Somit ist, wenn GCF und GNF beide LOW sind, der Außenleiter L an der QUELLE mit der dem Außenleiter L zugeordneten Primärwicklung des Transformators 12 verbunden. Falls GCF oder GNF zu HIGH wechselt (was einen Erdschlussfehler bzw. einen Null-Leitererdschluss anzeigt), wird der Außenleiter L an der QUELLE von der dem Außenleiter L zugeordneten Primärwicklung des Transformators 12 getrennt.
Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass die Unterbrechungsschaltung 18 stattdessen auch zwischen dem Transformator 12 und der LAST angeordnet sein kann. Bei einer solchen alternativen Ausführungsform ist, wenn GCF und GNF beide LOW sind, die dem Außenleiter L zugeordnete Primärwicklung des Transformators 12 mit dem Außenleiter L an der LAST verbunden. Falls GCF oder GNF zu HIGH wechselt (was einen Erdschlussfehler bzw. einen Null-Leitererdschluss anzeigt), wird die dem Außenleiter L zugeordnete Primärwicklung des Transformators 12 von dem Außenleiter L an der LAST getrennt.
Fehlerstromschutzschalter gemäß dieser Erfindung, wie etwa der Fehlerstromschutzschalter 10, können in digitalen Schaltungen, in analogen Schaltungen oder einer Kombination von digitalen und analogen Schaltungen implementiert sein. Es wird nun unter Bezugnahme auf 4 ein beispielhafter Fehlerstromschutzschalter 10a beschrieben, die unter Verwendung digitaler Schaltungen implementiert ist. Der Fehlerstromschutzschalter 10a umfasst einen Transformator 12, eine Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14a, eine multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16a und eine Unterbrechungsschaltung 18a.
Die beispielhafte Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14a enthält einen Puffer (oder Verstärker) 30 (hier als „Puffer/Verstärker 30“ bezeichnet), einen Multiplexer („MUX“) 32, einen Analog-Digital-Wandler („ADW“) 24, einen Prozessor 36 und eine Steuereinrichtung (Controller) 38. Die Steuereinrichtung 38 kann ein Mikroprozessor oder eine ähnliche Controller-Schaltung sein. Der Puffer/Verstärker 30 weist eine Eingangsklemme, die mit der Sekundärwicklung 20 verbunden ist, und eine Ausgangsklemme, die mit einer ersten Eingangsklemme IN1 des MUX 32 verbunden ist, auf. Der MUX 32 weist eine zweite Eingangsklemme IN2, eine Steuerklemme, die mit der Steuereinrichtung 38 verbunden ist, und eine Ausgangsklemme, die mit einer Eingangsklemme des ADW 34 verbunden ist, auf. Der ADW 34 weist ebenfalls eine Steuerklemme auf, die mit der Steuereinrichtung 38 verbunden ist, sowie eine Ausgangsklemme, die mit einer Eingangsklemme des Prozessors 36 verbunden ist.
Während des ersten vorbestimmten Zeitintervalls T1 deaktiviert die Steuereinrichtung 38 die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16a, das Ansteuersignal V_ac ist null, und der detektierte Laststrom I_ac' ist null. Daher ist der Ausgang des Puffers/Verstärkers 30 der überwachte Sekundärstrom I_s, welcher mit der Eingangsklemme IN1 an MUX 32 gekoppelt ist. Die Steuereinrichtung 38 führt dem MUX 32 ein Steuersignal zum Auswählen des Eingangs IN1 als Ausgang des MUX 32 zu. Der ADW 34 tastet das gepufferte (oder verstärkte) Sekundärstromsignal I_s ab und liefert einen digitalen Zählwert, der dem Sekundärstrom I_s entspricht, an den Prozessor 36.
Der Prozessor 36 kann eine integrierte Mikroprozessorschaltung oder ein anderer, ähnlicher Prozessor sein. Alternativ dazu können der ADW 34 und der Prozessor 36 in einer einzigen Vorrichtung kombiniert sein, welche einen Mikroprozessor und einen Analog-Digital-Wandler enthält, wie etwa einem Mikrocontroller ATTINY461A von Atmel Corporation, San Jose, California, oder einem Mikrocontroller MSP430s von Texas Instruments Incorporated, Dallas, Texas. Der Prozessor 36 verarbeitet die umgewandelten Daten von I_s, um zu bestimmen, ob der Erdleckstrom I_L2G den ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Falls der Erdleckstrom I_L2G den ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, liefert der Prozessor 36 ein Ausgangssignal an die Steuereinrichtung 38, welches anzeigt, dass ein Erdschlussfehler vorliegt. Die Steuereinrichtung 38 liefert daraufhin ein erstes Detektionssignal GCF an die Unterbrechungsschaltung 18a. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält die Unterbrechungsschaltung 18a einen Thyristor 60, der mit einer Auslösespule 62 verbunden ist und einen Steuereingang aufweist, der mit der Steuereinrichtung 38 verbunden ist. Die Unterbrechungsschaltung 18a weist außerdem Kontakte 64 auf, die so geschaltet sind, dass sie die Auslösespule 62 auslösen. Das erste Detektionssignal GCF bewirkt, dass der Thyristor 60 leitend wird, wodurch wiederum die Auslösespule 62 erregt wird und bewirkt wird, dass die Kontakte 64 öffnen und dadurch das Wechselstromsystem unterbrechen.
Wie zuvor erwähnt, deaktiviert während des ersten vorbestimmten Zeitintervalls T1 die Steuereinrichtung 38 die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16a. Nach dem ersten vorbestimmten Zeitintervall T1 aktiviert die Steuereinrichtung 38 die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16a für das zweite vorbestimmte Zeitintervall T2.
Insbesondere enthält die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16a einen Digitalsignalgenerator 40 mit einer Ausgangsklemme, die mit einer Eingangsklemme eines Digital-Analog-Wandlers („DAW“) 42 verbunden ist, ein erstes Tiefpassfilter („TPF“) 44 mit einer Eingangsklemme, die mit einer Ausgangsklemme des DAW 42 verbunden ist, einen Treiber 46 mit einer Eingangsklemme, die mit einer Ausgangsklemme des TPF 44 verbunden ist, einen Mischer 48 mit einer Eingangsklemme, die mit einem Ausgang des Treibers 46 verbunden ist, und ein zweites TPF 50 mit einer Eingangsklemme, die mit einer Ausgangsklemme des Mischers 48 verbunden ist, wobei der MUX 32 eine zweite Eingangsklemme IN2 aufweist, die mit einem Ausgang des TPF 50 verbunden ist. Die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16a enthält außerdem den ADW 34, den Prozessor 36 und die Steuereinrichtung 38, die oben beschrieben sind.
Nach dem ersten vorbestimmten Zeitintervall T1 schaltet die Steuereinrichtung 38 den Digitalsignalgenerator 40 EIN, welcher dem DAW 42 digitale Daten liefert, um ein analoges Ausgangssignal zu erzeugen, das eine festgelegte Größe und einen festgelegten Frequenzinhalt hat. Gemäß dieser Erfindung können der Digitalsignalgenerator 40 und der DAW 42 verwendet werden, um ein multifrequentes AC-Signal zu erzeugen, wie etwa das beispielhafte multifrequente Ausgangssignal V_ac von 2.
Der Ausgang des DAW 42 wird durch das TPF 44 geglättet, welches ein multifrequentes Ausgangssignal V_ac' liefert. Der Treiber 46 empfängt das Ausgangssignal V_ac' und beaufschlagt die Sekundärwicklung 20 mit dem multifrequenten Ausgangssignal V_ac, welches im Wesentlichen gleich V_ac' ist. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 4 beaufschlagt die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16a die Sekundärwicklung 20 mit einer multifrequenten Wechselspannung V_ac und überwacht den detektierten Laststrom I_ac', der durch die Sekundärwicklung 20 geleitet wird.
Insbesondere kann der Treiber 46 einen Stromspiegel enthalten, welcher einen gespiegelten Laststrom I_ac" liefert, der im Wesentlichen gleich dem detektierten Laststrom I_ac' ist. De Mischer 48 mischt den gespiegelten Laststrom I_ac" mit dem multifrequenten Ausgangssignal V_ac', um ein gemischtes Ausgangssignal bereitzustellen, das von dem TPF 50 gefiltert wird.
Der Mischer 48 kann eine herkömmliche Mischerschaltung sein. Zum Beispiel kann der Mischer 48 ein geschalteter Vollweggleichrichter-Mischer sein, wie etwa der beispielhafte geschaltete Vollweggleichrichter-Mischer 48a, der in 5 dargestellt ist. Insbesondere enthält der Mischer 48a einen Verstärker, der eine invertierende und eine nichtinvertierende Eingangsklemme, EINGANG A bzw. EINGANG B, aufweist. Der gespiegelte Laststrom I_ac" kann mit EINGANG A und EINGANG B verbunden sein, und die Schalter können bei Nulldurchgängen des multifrequenten Ausgangssignals V_ac' abwechselnd den invertierenden und den nichtinvertierenden Eingang schalten. Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass auch andere Mischerschaltungen verwendet werden können.

Es wird erneut auf 4 Bezug genommen; das multifrequente AC-Ausgangssignal V_ac' und der gespiegelte Laststrom I_ac''weisen jeweils drei Intervalle mit einer entsprechenden eindeutigen Frequenz f₁, f₂ und f₃ in jedem Intervall auf. Wenn das Störsignal I_int eine Frequenz fint hat, und wenn der gespiegelte Laststrom I_ac" mit dem multifrequenten Wechselspannungssignal V_ac' gemischt wird und angenommen wird, dass keine Phasenverzögerung zwischen dem Wechselspannungssignal V_ac' und dem gespiegelten Laststrom I_ac'' vorhanden ist, hat das resultierende, drei Intervalle aufweisende gemischte Ausgangssignal die folgenden Frequenzkomponenten: Tabelle 2: Frequenzkomponenten des gemischten Ausgangssignals

Intervall	V _ac '	I _ac '	V _ac ' × I _ac ''
1	f₁	f₁ + f_int	DC + 2f₁ + (f₁ + f_int) + (f₁ - f_int)
2	f₂	f₂ + f_int	DC + 2f₂ + (f₂ + f_int) + (f₂ - f_int)
3	f₃	f₃ + f_int	DC + 2f₃ + (f₃ + f_int) + (f₃ - f_int)

Somit enthält für jedes Intervall das gemischte Ausgangssignal eine Gleichstromkomponente, plus Komponenten mit höherer Frequenz.
Der Ausgang des Mischers 48 wird von dem Tiefpassfilter 50 gefiltert. Falls das TPF 50 eine Bandbreite aufweist, welche wesentlich kleiner ist als jede beliebige der Differenzfrequenzen in Tabelle 2, und falls f_int nicht gleich f₁, f₂ oder f₃ ist, ist der Ausgang des TPF 50, DC_out, gleich der Gleichstromkomponente in jedem Intervall, wie oben in Gleichung (6) angegeben. DC_out ist mit dem zweiten Eingang IN2 des MUX 32 verbunden.
Während des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls T2 führt die Steuereinrichtung 38 dem MUX 32 ein Steuersignal zum Auswählen des Eingangs IN2 als Ausgang des MUX 32 zu. Der ADW 34 tastet DC_out ab und liefert einen digitalen Zählwert, welcher DC_out entspricht, an den Prozessor 36. Der Prozessor 36 verarbeitet die umgewandelten DC_out-Daten, um zu bestimmen, ob die Gleichstromkomponente des Mischerausgangs für wenigstens N von M Intervallen (z.B. wenigstens 2 von 3 Intervallen) einen vorbestimmten Wert überschreitet (was anzeigt, dass R_G2N sich bis unter einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert verringert hat).
Falls DC_out den vorbestimmten Wert in wenigstens N von M Intervallen überschreitet, liefert der Prozessor 36 ein Ausgangssignal an die Steuereinrichtung 38, welches anzeigt, dass ein Null-Leitererdschluss vorliegt. Die Steuereinrichtung 38 liefert daraufhin ein zweites Detektionssignal GNF an die Unterbrechungsschaltung 18a. Das zweite Detektionssignal GNF bewirkt, dass der Thyristor 60 leitend wird, wodurch wiederum die Auslösespule 62 erregt wird und bewirkt wird, dass die Kontakte 64 öffnen und dadurch das Wechselstromsystem unterbrechen.
Nach dem zweiten vorbestimmten Zeitintervall T2 schaltet die Steuereinrichtung 38 den Digitalsignalgenerator 40 AUS, und die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14 beginnt wieder, den in dem Transformator 12 fließenden Differenzstrom zu überwachen. Dieser Prozess wiederholt sich auf eine iterative Weise, um kontinuierlich Außenleitererdschlüsse und niederimpedante Null-Leitererdschlüsse zu detektieren.
Wie zuvor erwähnt, können Fehlerstromschutzschalter gemäß dieser Erfindung alternativ dazu auch unter Verwendung analoger Schaltungen implementiert werden. Es wird nun unter Bezugnahme auf 6 ein beispielhafter Fehlerstromschutzschalter 10b beschrieben, die unter Verwendung analoger Schaltungen implementiert ist. Der Fehlerstromschutzschalter 10b umfasst einen Transformator 12, eine Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14b, eine multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16b, eine Unterbrechungsschaltung 18a und einen gesteuerten Schalter 94. Der Transformator 12 weist eine Sekundärwicklung 20 mit einem ersten abgegriffenen Ausgang 20a mit N_sa Windungen und einem zweiten abgegriffenen Ausgang 20b mit N_sb Windungen auf.
Die beispielhafte Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14b enthält einen Puffer (oder Verstärker) 30 (hier als „Puffer/Verstärker 30“ bezeichnet), der eine Eingangsklemme, die über den gesteuerten Schalter 94 mit der Sekundärwicklung 20 verbunden ist, und eine Ausgangsklemme, die mit einer Eingangsklemme eines TPF 54 verbunden ist, aufweist. Das TPF 54 weist eine Ausgangsklemme auf, die mit einer Eingangsklemme eines Spitzenwertdetektors 60 verbunden ist, welcher eine Ausgangsklemme aufweist, die mit einer Eingangsklemme eines Komparators 62 verbunden ist. Der Komparator 62 weist eine Ausgangsklemme auf, die mit einer Eingangsklemme des Thyristors 60 verbunden ist.
Während des ersten vorbestimmten Zeitintervalls T1 schließt eine Zeitgeberschaltung (Steuereinrichtung/Zeitgeber 64, unten beschrieben) den gesteuerten Schalter 94 und deaktiviert die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16b. Infolgedessen ist das Ansteuersignal V_ac gleich null, und der detektierte Laststrom I_ac' ist null. Somit ist der Ausgang des Puffers/Verstärkers 30 der überwachte Sekundärstrom I_s, welcher von dem TPF 54 geglättet wird, und das Signal des geglätteten Sekundärstroms I_s wird dem Eingang des Spitzenwertdetektors 60 zugeführt. Der Spitzenwertdetektor 60 liefert eine Ausgangsgleichspannung, die gleich dem Spitzenwert des Sekundärstroms I_s ist. Der Ausgang des Spitzenwertdetektors wird dem Komparator 62 als ein Eingang zugeführt.
Der Komparator 62 liefert ein Ausgangssignal, dessen Zustand sich ändert (z.B. von LOW zu HIGH wechselt), wenn der Spitzenwert-Sekundärstrom I_s einen Wert hat, welcher den ersten vorbestimmten Schwellenwert, dividiert durch N_sa, überschreitet (d.h. wenn der Erdleckstrom I_L2G den ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet). Somit führt der Komparator 62 der Unterbrechungsschaltung 18a ein erstes Detektionssignal GCF zu. Das erste Detektionssignal GCF bewirkt, dass der Thyristor 60 leitend wird, wodurch wiederum die Auslösespule 62 erregt wird und bewirkt wird, dass die Kontakte 64 öffnen und dadurch das Wechselstromsystem unterbrechen.
Wie zuvor erwähnt, ist während des ersten vorbestimmten Zeitintervalls T1 die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16b inaktiv. Nach dem ersten vorbestimmten Zeitintervall T1 ist die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14b inaktiv, und die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16b ist während des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls T2 aktiv.
Insbesondere enthält die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16b einen Differentialverstärker 80, einen Mischer 48, ein TPF 50, einen Komparator 86, einen Auslöseintegrator 88, einen Auslösekomparator 90, eine Steuereinrichtung/Zeitgeber 64, einen AC-Signalgenerator 66, einen programmierbaren Dividierer 68, einen Phasenkomparator 70, ein Schleifenfilter 72, einen Treiber 46, einen Abtastwiderstand R_SENSE und einen Kondensator C_R. Nach dem ersten vorbestimmten Zeitintervall T1 öffnet die Steuereinrichtung/Zeitgeber 64 den gesteuerten Schalter 94, wodurch die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung 14b wirksam deaktiviert und die AC-Quelle 66 aktiviert wird.
Die AC-Quelle 66 kann ein Oszillator sein, welcher ein multifrequentes AC-Signal (z.B. eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom) an den Treiber 46 liefert. Die AC-Quelle 66 kann ein Sinussignal erzeugen, oder sie kann stattdessen eine nicht sinusförmige Wellenform erzeugen, wie etwa eine Rechteckwellen-, Rampen- oder andere, ähnliche Wellenform.
Gemäß dieser Erfindung erzeugt die AC-Quelle 66 ein multifrequentes AC-Signal, das eine festgelegte Größe und einen festgelegten Frequenzinhalt hat. Insbesondere kann die Steuereinrichtung/Zeitgeber 64 den programmierbaren Dividierer 68, den Phasenkomparator 70, das Schleifenfilter 72 und die AC-Quelle 66 so programmieren, dass ein multifrequentes AC-Signal erzeugt wird, welches festgelegte Signalfrequenzen in festgelegten Intervallen aufweist.
Bei der in 6 dargestellten Ausführungsform liefert die AC-Quelle 66 ein multifrequentes Wechselspannungssignal V_ac' an den Treiber 46, welcher ein multifrequentes AC-Ausgangssignal V_ac (z.B. das beispielhafte, drei Intervalle aufweisende AC-Signal V_ac von 2) an den zweiten abgegriffenen Ausgang 20b der Sekundärwicklung 20 liefert. Somit beaufschlagt während des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls T2 die multifrequente geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 16b sie Sekundärwicklung 20 mit einem multifrequenten Wechselspannungssignal V_ac.
Der Differentialverstärker 80 misst die Spannung über dem Abtastwiderstand R_SENSE, um den Laststrom I_ac' zu detektieren, der von dem Treiber 46 geliefert wird. R_SENSE kann einen Wert zwischen 1 und 10 Ohm haben, obwohl auch andere Widerstandswerte verwendet werden können, in Abhängigkeit von der Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung, dem Treiber und der Empfindlichkeit der Detektionsschaltung. Der Differentialverstärker 80 liefert als Ausgang den abgetasteten Laststrom I_ac''an den Mischer 48. Der Mischer 48 (wie etwa der beispielhafte Mischer 48a von 5) mischt den abgetasteten Laststrom I_ac''mit dem multifrequenten Wechselspannungssignal V_ac' .

Das multifrequente AC-Ausgangssignal V_ac' und der abgetastete Laststrom I_ac''weisen jeweils drei Intervalle mit einer entsprechenden eindeutigen Frequenz f₁, f₂ und f₃ in jedem Intervall auf. Wenn das Störsignal I_int eine Frequenz fint hat, und wenn der abgetastete Laststrom I_ac''mit dem multifrequenten Wechselspannungssignal V_ac' gemischt wird und angenommen wird, dass keine Phasenverzögerung zwischen dem Wechselspannungssignal V_ac' und dem abgetasteten Laststrom I_ac'' vorhanden ist, hat das resultierende, drei Intervalle aufweisende gemischte Ausgangssignal die folgenden Frequenzkomponenten: Tabelle 3: Frequenzkomponenten des gemischten Ausgangssignals

Intervall	V _ac '	I _ac ''	V _ac ' × I _ac ''
1	f₁	f₁+ f_int	DC + 2f₁ + (f₁ + f_int) + (f₁ - f_int)
2	f₂	f₂ + f_int	DC + 2f₂ + (f₂ + f_int) + (f₂ - f_int)
3	f₃	f₃ + f_int	DC + 2f₃ + (f₃ + f_int) + (f₃ - f_int)

Somit enthält für jedes Intervall das gemischte Ausgangssignal eine Gleichstromkomponente, plus Komponenten mit höherer Frequenz.
Der Ausgang des Mischers 48 wird von dem Tiefpassfilter 50 gefiltert. Falls das TPF 50 eine Bandbreite aufweist, welche wesentlich kleiner ist als jede beliebige der Differenzfrequenzen in Tabelle 2, und falls f_int nicht gleich f₁, f₂ oder f₃ ist, ist der Ausgang des TPF 50, DC_out, gleich der Gleichstromkomponente in jedem Intervall, wie oben in Gleichung (6) angegeben. DC_out ist mit dem Komparator 86, dem Auslöseintegrator 88 und dem Auslösekomparator 90 verbunden.
Der Komparator 86 liefert ein Ausgangssignal, dessen Zustand sich ändert (z.B. von LOW zu HIGH wechselt), wenn DC_out einen vorbestimmten Wert überschreitet (was anzeigt, dass R_G2N sich bis unter einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert verringert hat). Der Auslöseintegrator 88 kumuliert die Ausgänge des Komparators 86, und der Auslösekomparator 90 vergleicht den kumulativen Ausgang mit einem vorbestimmten Schwellenwert. Falls DC_out den vorbestimmten Wert in wenigstens N von M Intervallen (z.B. wenigstens 2 von 3 Intervallen) überschreitet, liefert der Auslösekomparator 90 ein zweites Detektionssignal GNF an die Unterbrechungsschaltung 18a. Das zweite Detektionssignal GNF bewirkt, dass der Thyristor 60 leitend wird, wodurch wiederum die Auslösespule 62 erregt wird und bewirkt wird, dass die Kontakte 64 öffnen und dadurch das Wechselstromsystem unterbrechen.
Die Verfahren und Vorrichtungen gemäß dieser Erfindung können auch mit Fehlerstromschutzschaltern mit zwei Transformatoren verwendet werden. Insbesondere wird, nunmehr unter Bezugnahme auf 7, ein anderer alternativer, beispielhafter Fehlerstromschutzschalter 100 gemäß dieser Erfindung beschrieben. Der Fehlerstromschutzschalter 100 umfasst einen ersten Transformator 12, eine Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22, eine Multifrequenzsignal-Treiberschaltung 24, eine Unterbrechungsschaltung 18 und einen zweiten Transformator 26. Der zweite Transformator 26 weist einen Ringkern und eine Sekundärwicklung 28 auf. Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass auch andere Transformatoren verwendet werden können.
Ein Null-Leiter N verläuft durch den Ringkern des zweiten Transformators 26 hindurch als Primärwicklung mit einer Windung. Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass der Null-Leiter N stattdessen auch als Primärwicklung des zweiten Transformators 26 mit mehreren Windungen ausgebildet sein kann.
Die Sekundärwicklung 20 ist mit einer Eingangsklemme der Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22 verbunden. Gemäß dieser Erfindung detektiert der Fehlerstromschutzschalter 100 Außenleitererdschlüsse an der Last, als R_L2G angegeben, und niederimpedante Null-Leitererdschlüsse an der Last, als R_G2N angegeben, durch Überwachung von Signalen an der Sekundärwicklung 20 des ersten Transformators 12.
Insbesondere führt der Erdleckstrom I_L2G, der durch einen Außenleitererdschluss R_L2G fließt, zu einem Differenzstrom durch den ersten Transformator 12. Der Differenzstrom bewirkt, dass die Sekundärwicklung 20 einen Strom I_s leitet, welcher gleich dem Erdleckstrom I_L2G, dividiert durch die Anzahl der Windungen N_sa der Sekundärwicklung 20 ist: $I_{s} = \frac{I_{L 2 G}}{N_{s a}}$
Daher kann durch Überwachung des Sekundärstroms I_s und dadurch, dass das Windungsverhältnis N_sa bekannt ist, der Erdleckstrom I_L2G aus Gleichung (7) bestimmt werden.
Außerdem können niederimpedante Null-Leitererdschlüsse R_G2N bestimmt werden, indem die Sekundärwicklung 28 des zweiten Transformators 26 mit einem multifrequenten AC-Signal (z.B. einer Spannung oder einem Strom) beaufschlagt wird und ein entsprechendes Lastsignal (z.B. ein Strom oder eine Spannung) an der Sekundärwicklung 20 des ersten Transformators 12 überwacht wird.
Ein niederimpedanter Null-Leitererdschluss R_G2N erscheint als eine relativ niedrige Impedanz an der Sekundärwicklung 28. Insbesondere erscheint unter der Annahme, dass R_L2G wesentlich größer als R_G2N ist, die Impedanz Z_sb des Transformators 26 an der Sekundärwicklung als: $Z_{s b} = N_{s b}^{2} R_{G 2 N}$
Somit beträgt, wenn die Sekundärwicklung 28 mit einer multifrequenten Wechselspannung V_ac beaufschlagt wird, der Laststrom I_ac, der erforderlich ist, um die Sekundärwicklung 28 zu beaufschlagen: $I_{a c} = \frac{V_{a c}}{Z_{s b}}$
Dieser Laststrom ist magnetisch in den Null-Leiter N gekoppelt. Insbesondere leitet der Null-Leiter N einen Strom I_n, welcher gleich dem Laststrom I_ac, multipliziert mit der Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung 28 ist: $I_{n} = N_{s b} I_{a c} = N_{s b} (\frac{V_{a c}}{Z_{s b}}) = \frac{V_{a c}}{N_{s b} R_{G 2 N}}$
Der Null-Leiterstrom I_n ist durch den ersten Transformator 12 magnetisch mit der Sekundärwicklung 20 gekoppelt. Insbesondere leitet die Sekundärwicklung 20 einen Strom I_s, welcher gleich dem Null-Leiterstrom I_n, dividiert durch die Anzahl der Windungen N_sa der Sekundärwicklung 20 ist: $I_{s} = \frac{I_{n}}{N_{s a}} = \frac{V_{a c}}{N_{s a} N_{s b} R_{G 2 N}}$
Daher kann durch Überwachung des Sekundärstroms I_s und dadurch, dass die Windungsverhältnisse N_sa und N_sb bekannt ist, R_G2N aus Gleichung (11) berechnet werden.
Gemäß dieser Erfindung detektiert die Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22 einen Erdleckstrom I_L2G durch Überwachung des Differenzstroms im ersten Transformator 12. Insbesondere überwacht während eines ersten vorbestimmten Zeitintervalls T1 die Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22 den Strom I_s in der Sekundärwicklung 20. Das erste vorbestimmte Zeitintervall T1 kann etwa 100 Millisekunden betragen, allgemeiner zwischen etwa 1 und 560 Millisekunden, obwohl auch andere Zeitintervalle verwendet werden können. Durch Überwachung des Sekundärstroms I_s und dadurch, dass das Windungsverhältnis N_sa bekannt ist, kann der Erdleckstrom I_L2G aus Gleichung (7) bestimmt werden.
Somit erzeugt, wenn der überwachte Sekundärstrom I_s anzeigt, dass der Erdleckstrom I_L2G einen ersten vorbestimmten Wert überschritten hat, die Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22 an einer Ausgangsklemme ein Detektionssignal GCF/GNF, welches bewirkt, dass die Unterbrechungsschaltung 18 den Außenleiter L öffnet und dadurch das Wechselstromsystem unterbricht, wie oben beschrieben.
Nach dem ersten vorbestimmten Zeitintervall T1 beaufschlagt die Multifrequenzsignal-Treiberschaltung 24 die Sekundärwicklung 28 während eines zweiten vorbestimmten Zeitintervalls T2 mit einem multifrequenten AC-Signal, um niederimpedante Null-Leitererdschlüsse R_G2N zu überwachen. Das zweite vorbestimmte Zeitintervall T2 kann etwa 5 Millisekunden betragen, allgemeiner zwischen etwa 0,1 und 17 Millisekunden, obwohl auch andere Dauern verwendet werden können. Zum Beispiel beaufschlagt während des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls T2 die Multifrequenzsignal-Treiberschaltung 24 die Sekundärwicklung 28 mit einer multifrequenten Wechselspannung, die eine festgelegte Größe und einen festgelegten Frequenzinhalt hat, wie etwa die beispielhaften Signale von 2 und 3.

Zum Beispiel enthalten, wenn das beispielhafte multifrequente Wechselspannungssignal V_ac von 2 verwendet wird, um die Sekundärwicklung 28 zu beaufschlagen, das multifrequente Wechselspannungssignal V_ac, der Laststrom I_ac und der Sekundärstrom I_s des Transformators 12 jeweils drei Intervalle, mit einer entsprechenden eindeutigen Frequenz f₁, f₂ und f₃ in jedem Intervall. Wenn das Störsignal I_int eine Frequenz fint hat, und wenn der detektierte Sekundärstrom I_s mit dem multifrequenten Wechselspannungssignal V_ac gemischt (z.B. multipliziert) wird und angenommen wird, dass keine Phasenverzögerung zwischen dem Wechselspannungssignal V_ac und dem detektierten Sekundärstrom I_s vorhanden ist, hat das resultierende, drei Intervalle aufweisende gemischte Ausgangssignal die folgenden Frequenzkomponenten: Tabelle 4: Frequenzkomponenten des gemischten Ausgangssignals

Intervall	V _ac	I _s	V _ac × I _s
1	f₁	f₁+ f_int	DC + 2f₁ + (f₁ + f_int) + (f₁ - f_int)
2	f₂	f₂ + f_int	DC + 2f₂ + (f₂ + f_int) + (f₂ - f_int)
3	f₃	f₃ + f_int	DC + 2f₃ + (f₃ + f_int) + (f₃ - f_int)

Somit enthält für jedes Intervall das gemischte Ausgangssignal eine Gleichstromkomponente, plus Komponenten mit höherer Frequenz. Falls fint nicht gleich f₁, f₂ oder f₃ ist, ist die Gleichstromkomponente in jedem Intervall gleich: $Gleichstromkomponente = \frac{\frac{1}{2}}{(N_{s a} N_{s b} R_{G 2 N})} .$
Falls die Gleichstromkomponente in einem Intervall ein vorbestimmtes Schwellenwertsignal überschreitet (was anzeigt, dass R_G2N kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist), kann ein niederimpedanter Null-Leitererdschluss vorliegen. Um falsche Positive zu vermeiden, welche auftreten können, wenn f_int nahe bei einem oder mehreren von f₁, f₂ oder f₃ liegt, kann der Vergleich für alle drei Intervalle durchgeführt werden. Falls die Gleichstromkomponente den vorbestimmten Schwellenwert in wenigstens zwei der drei Intervalle überschreitet, erzeugt die Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22 an einer Ausgangsklemme ein Detektionssignal GCF/GNF, welches bewirkt, dass die Unterbrechungsschaltung 18 den Außenleiter L öffnet und dadurch das Wechselstromsystem unterbricht, wie oben beschrieben.
Im Allgemeinen kann das Wechselspannungssignal V_ac M Frequenzintervalle aufweisen, wobei M = 3, 4, 5, ... sein kann, und die Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22 kann die extrahierten Gleichstromkomponenten in jedem der M Intervalle mit einem vorbestimmten Schwellenwert vergleichen. Falls der vorbestimmte Schwellenwert in mindestens N der M verschiedenen Intervalle überschritten wird, wobei N ≤ M ist, kann die Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22 an einer Ausgangsklemme ein Detektionssignal GCF/GNF erzeugen, welches bewirkt, dass die Unterbrechungsschaltung 18 den Außenleiter L öffnet und dadurch das Wechselstromsystem unterbricht.
Für den Durchschnittsfachmann ist klar, dass stattdessen auch Kreuzkorrelationstechniken angewendet werden können, um niederimpedante Null-Leitererdschlüsse R_G2N zu detektieren, wie oben beschrieben.
Der Fehlerstromschutzschalter 100 kann in digitalen Schaltungen, in analogen Schaltungen oder einer Kombination von digitalen und analogen Schaltungen implementiert sein. Unter Bezugnahme auf 8 wird ein beispielhafter Fehlerstromschutzschalter 100a beschrieben, die unter Verwendung digitaler Schaltungen implementiert ist. Der Fehlerstromschutzschalter 100a umfasst einen Transformator 12, eine Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22a, eine Multifrequenzsignal-Treiberschaltung 24a und eine Unterbrechungsschaltung 18a.
Die beispielhafte Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22a enthält einen Puffer/Verstärker 30, einen geschalteten Vollweggleichrichter-Mischer 48a, ein TPF 54, einen ADW 34, einen Prozessor 36 und eine Steuereinrichtung 38. Während des ersten vorbestimmten Zeitintervalls T1 deaktiviert die Steuereinrichtung 38 die Multifrequenzsignal-Treiberschaltung 24a, das Ansteuersignal V_ac ist null, und der Laststrom I_ac ist null. Daher ist der Ausgang des Puffers/Verstärkers 30 der überwachte Sekundärstrom I_s, welcher durch den Vollweggleichrichter-Mischer 48a fließt, von dem ADW 34 abgetastet wird und anschließend von dem Prozessor 36 verarbeitet wird, um zu bestimmen, ob der Erdleckstrom I_L2G den ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Falls der Erdleckstrom I_L2G den ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, liefert der Prozessor 36 ein Ausgangssignal an die Steuereinrichtung 38, welches anzeigt, dass ein Erdschlussfehler vorliegt. Die Steuereinrichtung 38 liefert daraufhin ein Detektionssignal GCF/GNF an die Unterbrechungsschaltung 18a, um das Wechselstromsystem zu unterbrechen.
Nach dem ersten vorbestimmten Zeitintervall T1 aktiviert die Steuereinrichtung 38 die Multifrequenzsignal-Treiberschaltung 24a für das zweite vorbestimmte Zeitintervall T2. Die Multifrequenzsignal-Treiberschaltung 24a enthält einen Digitalsignalgenerator 40, einen DAW 42, ein TPF 44 und einen Treiber 46. Nach dem ersten vorbestimmten Zeitintervall T1 schaltet die Steuereinrichtung 38 den Digitalsignalgenerator 40 EIN, welcher dem DAW 42 digitale Daten liefert, um ein analoges Ausgangssignal zu erzeugen, das eine festgelegte Größe und einen festgelegten Frequenzinhalt hat.
Gemäß dieser Erfindung können der Digitalsignalgenerator 40 und der DAW 42 verwendet werden, um ein multifrequentes AC-Signal zu erzeugen, wie etwa das beispielhafte multifrequente Ausgangssignal V_ac von 2. Der Treiber 46 beaufschlagt die Sekundärwicklung 28 des zweiten Transformators 26 mit einer multifrequenten Wechselspannung V_ac, und die Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22a detektiert den Sekundärstrom I_s, mischt ihn mit dem multifrequenten Ausgangssignal V_ac und verarbeitet dann das gemischte Signal, um zu bestimmen, ob die Gleichstromkomponente in wenigstens N von M Intervallen (z.B. 2 von 3) einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Ist dies der Fall, erzeugt die Erdschlussfehler-/geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung 22a an einer Ausgangsklemme ein Detektionssignal GCF/GNF, welches bewirkt, dass die Unterbrechungsschaltung 18a den Außenleiter L öffnet und dadurch das Wechselstromsystem unterbricht.
Wie zuvor erwähnt, verwenden alternative beispielhafte Ausführungsformen dieser Erfindung Kreuzkorrelationstechniken, um niederimpedante Null-Leitererdschlüsse R_G2N zu detektieren. Beispielhafte Fehlerstromschutzschalter gemäß dieser Erfindung, welche solche Kreuzkorrelationstechniken verwenden, sind in 9 und 10 dargestellt.
Insbesondere zeigt 9 ein beispielhafter Fehlerstromschutzschalter 10c mit einem Transformator, welche dem Fehlerstromschutzschalter 10a von 4 ähnlich ist, jedoch keinen Mischer 48 enthält. In dem Fehlerstromschutzschalter 10c kreuzkorreliert der Prozessor 36 während des zweiten Intervalls T2 Abtastwerte des gespiegelten Laststroms I_ac''mit Abtastwerten des multifrequenten Wechselspannungssignals V_ac, um ein Kreuzkorrelations-Ausgangssignal zu erzeugen. Falls das Kreuzkorrelations-Ausgangssignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, liefert der Prozessor 36 ein Ausgangssignal an die Steuereinrichtung 38, welches anzeigt, dass ein niederimpedanter Null-Leitererdschluss vorliegt. Die Steuereinrichtung 38 liefert daraufhin ein zweites Detektionssignal GNF an die Unterbrechungsschaltung 18a.
10 zeigt einen beispielhaften Fehlerstromschutzschalter 100b mit zwei Transformatoren, welche dem Fehlerstromschutzschalter 100a von 8 ähnlich ist, jedoch keinen Vollweggleichrichter-Mischer 48a enthält. In dem Fehlerstromschutzschalter 100b kreuzkorreliert der Prozessor 36 während des zweiten Intervalls T2 Abtastwerte des detektierten Sekundärstroms I_s mit Abtastwerten des multifrequenten Wechselspannungssignals V_ac, um ein Kreuzkorrelations-Ausgangssignal zu erzeugen. Falls das Kreuzkorrelations-Ausgangssignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, liefert der Prozessor 36 ein Ausgangssignal an die Steuereinrichtung 38, welches anzeigt, dass ein niederimpedanter Null-Leitererdschluss vorliegt. Die Steuereinrichtung 38 liefert daraufhin ein Detektionssignal GCF/GNF an die Unterbrechungsschaltung 18a.
Die obige Beschreibung veranschaulicht lediglich die Prinzipien dieser Erfindung, und ein Durchschnittsfachmann kann verschiedene Modifikationen vornehmen, ohne den Rahmen und die Idee dieser Erfindung zu verlassen.

Claims

Fehlerstromschutzschalter (10, 10a, 10b, 100, 100a, 100b) zur Verwendung mit einem Wechselstromsystem, welches einen Außenleiter (L), einen Null-Leiter (N) und einen Transformator (12) aufweist, wobei der Außenleiter (L) und der Null-Leiter (N) jeweils zwischen einer Quelle und einer Last geschaltet sind und der Null-Leiter (N) an der Quelle mit Erde verbunden ist, wobei der Transformator (12) eine erste Primärwicklung, die mit dem Außenleiter in Reihe geschaltet ist, eine zweite Primärwicklung, die mit dem Null-Leiter (N) in Reihe geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung (20) aufweist, wobei die Einrichtung umfasst: eine geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung (16, 16a, 16b, 22, 22a), die mit der Sekundärwicklung (20) verbunden ist, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung (16, 16a, 16b, 22, 22a): (a) die Sekundärwicklung (20) mit einem multifrequenten AC-Signal beaufschlagt, (b) ein multifrequentes Lastsignal in der Sekundärwicklung (20) überwacht, (c) ein Gleichstromsignal basierend auf dem multifrequenten AC-Signal und dem überwachten multifrequenten Lastsignal erzeugt, und (d) ein erstes Detektionssignal liefert, falls das erzeugte Gleichstromsignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, wobei das multifrequente AC-Signal ein multifrequentes Wechselspannungssignal umfasst.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, wobei das multifrequente AC-Signal ein multifrequentes Wechselstromsignal umfasst.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, wobei das multifrequente AC-Signal M Intervalle umfasst, mit einer entsprechenden eindeutigen Frequenz in jedem Intervall.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 4, wobei M größer oder gleich 3 ist.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 4, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das erste Detektionssignal liefert, falls das überwachte Lastsignal den vorbestimmten Schwellenwert in mindestens N der M Intervalle überschreitet, wobei N kleiner oder gleich M ist.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, wobei das multifrequente AC-Signal ein Chirp-Signal umfasst.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das multifrequente AC-Signal mit dem überwachten multifrequenten Lastsignal mischt.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das multifrequente AC-Signal mit dem überwachten multifrequenten Lastsignal kreuzkorreliert.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, welche ferner eine Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung umfasst, die mit der Sekundärwicklung verbunden ist, wobei die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung ein zweites Detektionssignal liefert, falls ein Strom in der Sekundärwicklung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 10, welche ferner eine Unterbrechungsschaltung umfasst, die mit dem Außenleiter verbunden ist, wobei die Unterbrechungsschaltung den Stromfluss in dem Wechselstromsystem unterbricht, falls die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das erste Detektionssignal liefert und/oder falls die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung das zweite Detektionssignal liefert.
Fehlerstromschutzschalter (10, 10a, 10b, 100, 100a, 100b) zur Verwendung mit einem Wechselstromsystem, welches einen Außenleiter (L), einen Null-Leiter (N) und einen Transformator (12) aufweist, wobei der Außenleiter (L) und der Null-Leiter (N) jeweils zwischen einer Quelle und einer Last geschaltet sind und der Null-Leiter (N) an der Quelle mit Erde verbunden ist, wobei der Transformator (12) eine erste Primärwicklung, die mit dem Außenleiter in Reihe geschaltet ist, eine zweite Primärwicklung, die mit dem Null-Leiter in Reihe geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung (20) aufweist, wobei die Einrichtung umfasst: eine geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung (16, 16a, 16b, 22, 22a), die mit der Sekundärwicklung (20) verbunden ist, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung (16, 16a, 16b, 22, 22a) aufweist: (a) eine AC-Signalquelle, welche die Sekundärwicklung mit einem multifrequenten AC-Signal beaufschlagt, (b) eine Detektorschaltung, welche ein multifrequentes Lastsignal in der Sekundärwicklung überwacht, (c) einen Schaltkreis, welcher ein Gleichstromsignal basierend auf dem multifrequenten AC-Signal und dem überwachten multifrequenten Lastsignal erzeugt, und d) einen Prozessor, welcher ein erstes Detektionssignal liefert, falls das erzeugte Gleichstromsignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 12, wobei das multifrequente AC-Signal ein multifrequentes Wechselspannungssignal umfasst.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 12, wobei das multifrequente AC-Signal ein multifrequentes Wechselstromsignal umfasst.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 12, wobei das multifrequente AC-Signal M Intervalle umfasst, mit einer entsprechenden eindeutigen Frequenz in jedem Intervall.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 15, wobei M größer oder gleich 3 ist.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 15, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das erste Detektionssignal liefert, falls das erzeugte Gleichstromsignal den vorbestimmten Schwellenwert in mindestens N der M Intervalle überschreitet, wobei N kleiner oder gleich M ist.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 12, wobei das multifrequente AC-Signal ein Chirp-Signal umfasst.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 12, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das multifrequente AC-Signal mit dem überwachten multifrequenten Lastsignal mischt.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 12, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das multifrequente AC-Signal mit dem überwachten multifrequenten Lastsignal kreuzkorreliert.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 12, welche ferner eine Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung umfasst, die mit der Sekundärwicklung verbunden ist, wobei die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung ein zweites Detektionssignal liefert, falls ein Strom in der Sekundärwicklung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 21, welche ferner eine Unterbrechungsschaltung umfasst, die mit dem Außenleiter verbunden ist, wobei die Unterbrechungsschaltung den Stromfluss in dem Wechselstromsystem unterbricht, falls die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das erste Detektionssignal liefert und/oder falls die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung das zweite Detektionssignal liefert.
Verfahren zur Fehlerstromschutzabschaltungs-Detektion zur Verwendung mit einem Wechselstromsystem, welches einen Außenleiter (L), einen Null-Leiter (N) und einen Transformator (12) aufweist, wobei der Außenleiter (L) und der Null-Leiter (N) jeweils zwischen einer Quelle und einer Last geschaltet sind und der Null-Leiter (N) an der Quelle mit Erde verbunden ist, wobei der Transformator (12) eine erste Primärwicklung, die mit dem Außenleiter (L) in Reihe geschaltet ist, eine zweite Primärwicklung, die mit dem Null-Leiter (N) in Reihe geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung (20) aufweist, wobei das Verfahren umfasst: (a) für ein erstes vorbestimmtes Zeitintervall: (i) Überwachen eines Stroms in der Sekundärwicklung (20), und (ii) Liefern eines ersten Detektionssignals, falls der überwachte Sekundärstrom einen ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet; und (b) für ein zweites vorbestimmtes Zeitintervall: (i) Beaufschlagen der Sekundärwicklung (20) mit einer multifrequenten Wechselspannung oder einem multifrequenten Wechselstrom; (ii) Überwachen eines multifrequenten Laststroms in oder einer multifrequenten Spannung über der Sekundärwicklung (20); (iii) Erzeugen eines Gleichstromsignals basierend auf dem multifrequenten AC-Signal und dem überwachten multifrequenten Lastsignal; und (iv) Verarbeiten des multifrequenten Ansteuersignals mit dem multifrequenten überwachten Signal, um zu bestimmen, ob ein niederimpedanter Null-Leitererdschluss kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 23, welches ferner das iterative Wiederholen von Schritt (a) und anschließend Schritt (b) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, welches ferner das Unterbrechen des Stromflusses in dem Wechselstromsystem in Reaktion auf das erste Detektionssignal und/oder das zweite Detektionssignal umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das erste vorbestimmte Zeitintervall zwischen etwa 1 und 560 Millisekunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das erste vorbestimmte Zeitintervall etwa 100 Millisekunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das zweite vorbestimmte Zeitintervall zwischen etwa 0,1 und 17 Millisekunden beträgt.
Fehlerstromschutzschalter (10, 10a, 10b, 100, 100a, 100b) zur Verwendung mit einem Wechselstromsystem, welches einen Außenleiter (L), einen Null-Leiter (N), einen ersten Transformator (12) und einen zweiten Transformator (26) aufweist, wobei der Außenleiter (L) und der Null-Leiter (N) jeweils zwischen einer Quelle und einer Last geschaltet sind und der Null-Leiter (N) an der Quelle mit Erde verbunden ist, wobei der erste Transformator (12) eine erste Primärwicklung, die mit dem Außenleiter (L) in Reihe geschaltet ist, eine zweite Primärwicklung, die mit dem Null-Leiter (N) in Reihe geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung (20) aufweist, und der zweite Transformator (26) eine erste Primärwicklung, die mit dem Null-Leiter in Reihe geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung (28) aufweist, wobei die Einrichtung umfasst: eine multifrequente Signaltreiberschaltung, die mit der Sekundärwicklung (28) des zweiten Transformators (26) verbunden ist, wobei die multifrequente Signaltreiberschaltung die Sekundärwicklung (28) des zweiten Transformators (26) mit einem multifrequenten AC-Signal beaufschlagt; eine geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung (16, 16a, 16b, 22, 22a), die mit der Sekundärwicklung (20) des ersten Transformators (12) verbunden ist, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung aufweist (16, 16a, 16b, 22, 22a): (a) eine Detektorschaltung, welche ein multifrequentes Lastsignal in der Sekundärwicklung (28) des zweiten Transformators (26) überwacht, (b) einen Schaltkreis, welcher ein Gleichstromsignal basierend auf dem multifrequenten AC-Signal und dem überwachten multifrequenten Lastsignal erzeugt, und einen Prozessor, welcher ein erstes Detektionssignal liefert, falls das generierte Gleichstromsignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 29, wobei das multifrequente AC-Signal ein multifrequentes Wechselspannungssignal umfasst.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 29, wobei das multifrequente AC-Signal ein multifrequentes Wechselstromsignal umfasst
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 29, wobei das multifrequente AC-Signal M Intervalle umfasst, mit einer entsprechenden eindeutigen Frequenz in jedem Intervall.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 32, wobei M größer oder gleich 3 ist.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 32, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das erste Detektionssignal liefert, falls das generierte Gleichstromsignal den vorbestimmten Schwellenwert in mindestens N der M Intervalle überschreitet, wobei N kleiner oder gleich M ist.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 29, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das multifrequente AC-Signal mit dem überwachten multifrequenten Lastsignal mischt.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 29, welche ferner eine Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung umfasst, die mit der Sekundärwicklung verbunden ist, wobei die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung ein zweites Detektionssignal liefert, falls ein Strom in der Sekundärwicklung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 36, welche ferner eine Unterbrechungsschaltung umfasst, die mit dem Außenleiter verbunden ist, wobei die Unterbrechungsschaltung den Stromfluss in dem Wechselstromsystem unterbricht, falls die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung das erste Detektionssignal liefert und/oder falls die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung das zweite Detektionssignal liefert.
Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 36, wobei die geerdete Null-Leiterfehlerstromüberwachung und die Erdschlussfehlerstromschutzüberwachung dieselbe Schaltung umfassen.