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Prüfverfahren und Prüfschaltung für Fehlerstromschutzschalter Die
Erfindung betrifft Prüfverfahren für Fehlerstromschutzschalter und Schaltungen zur
Ausübung dieser Verfahren.
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Elektrische Anlagen werden in steigendem Maß durch Fehlerstromschutzschalter
gegen unzulässig hohe Berührungsspannungen geschützt. In bekannter Weise arbeiten
Fehlerstromschutzschalter derart, daß ein Fehlerstrom, der von dem zu schützenden
Gerät gegen Erde fließt, meßtechnisch erfaßt wird, und wenn dieser Fehlerstrom einen
unzulässig hohen Wert erreicht, der Schutzschalter die Anlage vom Netz abschaltet.
Unter unzulässig hohem Wert des Fehlerstromes ist ein solcher Strom zu verstehen,
der am Erdwiderstand des zu schützenden Gerätes eine gefährliche B erührungsspannung
hervorrufen würde.
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Die Messung des Fehlerstromes erfolgt durch eine Summenmessung der
Leitungsströme, z. B. einer Drehstromleitung (R, S, T, Mp). Ist die Summe dieser
Leitungsströme Null, so ist die Anlage nicht gestört.
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Weicht die Summe der Leitungsströme von Null ab, ist diese Abweichung
gleich dem Fehlerstrom über Erde.
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Fehlerstromschutzschalter müssen Vorrichtungen aufweisen, mit denen
von Zeit zu Zeit das ordnungsgemäße Arbeiten des Schalters überprüft werden kann.
Gebräuchliche Prüfverfahren bestehen darin, daß ein künstlicher Fehlerstrom mittels
eines Widerstandes erzeugt wird, der das Auslösen des Schalters bewirkt. Zu diesem
Zweck wird bei einer bekannten Prüfschaltung mittels eines Prüfschalters eine Verbindung
zwischen einem Netzphasenleiter vor dem den Fehlerstrom messenden Summenstromwandler
liegenden und einem anderen nach dem Summenstromwandler liegenden Netzphasenleiter
unter Zwischenschaltung eines Prüfwiderstandes hergestellt.
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Der Prüfwiderstand ist so dimensioniert, daß nach Betätigen des Prüfschalters
ein Strom durch den Prüfstromkreis fließt, der größer als der Nenn-Auslösestrom
des Fehlerstromschutzschalters ist. Löst der Fehlerstromschutzschalter nach Betätigen
des Prüfschalters nicht aus, so kann der Prüfwiderstand verbrennen, da er nur für
eine kurzzeitige Belastung ausgelegt ist. Unter bestimmten Umständen findet trotz
einwandfreier Beschaffenheit des Fehlerstromschutzschalters beim Betätigen des Prüfschalters
keine Auslösung statt. Dieser Fall kann dann eintreten, wenn während der Prüfung
bereits ein Fehlerstrom in der Anlage vorliegt.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, eine Überlastung des Prüfwiderstandes
bei nicht auslösendem Fehlerstromschutzschalter durch eine vorgeschaltete Sicherung
oder einen Thermoschalter zu verhindern. Eine
solche Vorrichtung schützt zwar den
Prüfwiderstand, hat aber den Nachteil, daß vor einer erneuten Prüfung die Sicherung
ausgewechselt werden muß. Ein weiterer bekannter Vorschlag geht dahin, daß auf dem
Summenstromwandler außer den Arbeitswicklungen eine besondere, den Wandler beeinflussende
Wicklung angeordnet ist. Hierbei ist es erforderlich, daß die Wicklung für den Prüfstromkreis
eine größere Anzahl Windungen erhält als die Arbeitswicklungen. Damit wird im allgemeinen
eine Vergröße rung des Wandlers und eine Vergrößerung des Gehäuses für den Fehlerstromschutzschalter
erforderlich, was zu einer Verteuerung des Gerätes führt.
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Das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens für
Fehlerstromschutzschalter ist durch mindestens zwei Prüfvorgänge gekennzeichnet,
wobei die Phasenlage des Prüfstromkreises beim zweiten Prüfvorgang um 120 oder 1800
gegenüber dem Prüfstrom beim ersten Prüfvorgang gedreht ist.
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Bei einer bekannten Anordnung wird ebenfalls ein künstlicher Fehlerstrom
für Prüfzwecke in allen drei Netzphasen erzeugt. Hierbei handelt es sich jedoch
um Prüfströme, die sich in normaler Phasenlage, d. h. mit 1200 Phasenverschiebung
gegeneinander befinden. Wird ein mehrpoliger Schalter zweipolig verwendet, so läßt
sich bei der bekannten Anordnung nicht voraussehen, an welche Apparateklemmen die
beiden Netzphasen bei der Montage angeschlossen werden. Es besteht daher die Möglichkeit,
daß infolge ungünstiger Phasenlage eines bereits in der Anlage vorhandenen Fehlerstromes
die Auslösung nicht erfolgt. Damit ergeben sich die bereits aufgezeigten Nachteile.
Dagegen ist gemäß Erfindung eine bestimmte
Phasenverschiebung der
beiden Prüfströme gegeneinander festgelegt, so daß mindestens in einem Prüfvorgang
die geometrische Summe der Ströme größer als der erforderliche Auslösestrom wird
und daher der Schalter mit Sicherheit auslöst.
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Zweckmäßig erfolgt die Prüfung in drei Abschnitten, wobei die drei
Prüfströme gegen die drei entsprechenden Sternspannungen eines Drehstromnetzes den
gleichen Phasenwinkel haben. Eine praktische Ausführung macht von einer auf den
Summenstromwandler angeordneten- Prüfwicklung Gebrauch, die umpolbar eingerichtet
ist. Bei einer anderen Ausführung ist in an sich bekannter Weise auf dem Summenstromwandler
eine Prüfwicklung angeordnet, zu der eine zu dieser gegenläufige Wicklung mit doppelter
Windungszahl in Reihe gelegt werden kann.
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Der Erfindungsgegenstand kann auch bei Fehlerstromschutzschaltern
ohne Summenstromwandler Verwendung finden, d. h. bei solchen Schaltern, bei denen
die Ströme direkt oder unter Zwischenschaltung von Verstärkungsgliedern auf das
Auslöseglied wirken.
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In der Zeichnung ist das erfindungsgemäße Verfahren an Hand von Schaltbildern
und Vektordiagrammen dargestellt. Es zeigt Fig. 1 die Schaltung eines bekannten
Fehlerstromschutzschalters mit Prüfstromkreis, Fig. 2, 3, 4 Vektordiagramme, Fig.
5 eine Schaltung zur Ausführung des Prüfverfahrens gemäß Erfindung, Fig. 6 eine
andere Schaltung zur Ausführung des Prüfverfahrens gemäß Erfindung.
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An Hand des Schaltbildes nach Fig. 1 wird die Wirkungsweise eines
bekannten Fehlerstromschutzschalters erklärt. R-U, S-V, T-W, Mp-Mp stellen die drei
Phasen und den Mittelpunktleiter eines Drehstromnetzes dar. Die Einspeisung erfolgt
bei R, S, T, Mp, der Abgang liegt bei U, V, W, Mp. Die Leitungen führen über einen
Schalter 1 und einen Summenstromwandler 2. Bei ungestörtem Betrieb ist die Summe
der (Momentanwerte der) Ströme in den Leitern R, S, T, Mp Null, und der Wandler
2 bleibt unerregt. Erhält jedoch eine Phase, z. B. U, einen Erdschluß, so fließt
ein Teil des Stromes von U über Erde zum geerdeten Sternpunkt des Speisetransformators
am Wandler 2 vorbei. Die Summe der vier Ströme in den den Wandler beeinflussenden
Leitungen R, S, T, M,> ist nicht mehr Null. Der Wandler 2 wird erregt und induziert
in einer Sekundärwicklung 3 eine Spannung, die bei entsprechender Größe des Fehlerstromes
das Abschalten des Schalters 1 mittels eines Schaltschlosses 4 bewirkt. Das Wiedereinschalten
erfolgt von Hand.
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In diesem vereinfachten Schaltbild ist für jede Phase nur eine Windung
(R-U, S-V, T-W, Mp-Mp) gezeichnet. Es können jedoch auch beliebig viele Windungen
primärseitig am Wandler aufgebracht sein. Der zum Prüfen des Schalters vorgesehene
Prüfstromkreis enthält einen Prüfschalter P und einen Widerstand Rp. Nach Schließen
des Schalters P fließt ein künstlicher Fehlerstrom am Wandler 2 vorbei (im gezeichneten
Beispiel von V nach R), so daß dieser erregt wird und in oben beschriebener Weise
das Abschalten des Schalters bewirkt. Der Prüfwiderstand Rp ist so bemessen, daß
nach Betätigen des Prüfschalters P durch den Prüfstromkreis ein Strom fließt, der
größer als der Nenn-Auslösestrom des Fehlerstromschutzschalters ist.
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Wenn der Fehlerstromschutzschalter trotz einwandfreier Beschaffenheit
bei Betätigen der Prüftaste P nicht auslöst, so kann das Versagen daraus erklärt
werden, daß bereits ein Fehlerstrom in der Anlage vorhanden ist. Dieser Fehlerstrom
ergibt zusammen mit dem Prüfstrom einen den Wandler beeinflussenden Summenstrom
IS s7 der kleiner ist als der Fehlerstrom Igf, der zum Auslösen des Wandlers erforderlich
ist.
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Das Zustandekommen eines solchen Stromes sei an Hand des Vektordiagrammes
Fig. 2 mit Bezug auf Fig. 1 erläutert: IR, 7S, 1T seien Fehlerströme, die in den
Phasen R oder S oder T fließen können, ohne daß der Fehlerstromschutzschalter anspricht
(Grenzwert). Der Kreis A stellt also den Auslösekreis dar.
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Fehlerströme, die größer sind als dem Radius des Auslösekreises entspricht,
lösen den Schalter aus. Der PrüfstromIp habe die gezeichnete Größe und Richtung.
Sein Endpunkt liegt außerhalb des Auslösekreises A. Der Schalter schaltet also ab,
wenn lediglich der Prüfstrom vorhanden ist. Fließt jedoch z. B. in der Phase R bereits
ein Fehlerstrom von der Größe, so addiert sich dieser Strom geometrisch zu I,, und
der den Wandler erregende Auslösestrom 1Aus liegt innerhalb des Auslösekreises A,
er ist kleiner als 1gf. Der Schalter schaltet nicht ab. Wie man erkennt, ist der
Kreis B um den Endpunkt von J, mit dem Radius 1R (etwa gleich Igf) der geometrische
Ort für den den Wandler beeinflussenden Auslösestrom IAS bei einem Prüfstrom IP
mit überlagertem Fehlerstrom beliebiger Phasenlage von der Größen,, in der Anlage.
Im Bereich von Punkt bis b liegt der Auslösestrom IAns innerhalb des Auslösekreises
A. In diesem Bereich versagt die Schalterprüfung nach dem herkömmlichen Verfahren,
obwohl die Schutzfunktion des Schalters in keiner Weise beeinträchtigt ist.
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Gemäß Erfindung werden die Nachteile des bekannten Fehlerstromschutzschalters
durch ein Prüfverfahren beseitigt, das mindestens zwei Prüfvorgänge mit Prüfströmen
unterschiedlicher Phasenlage aufweist. So kann insbesondere nach einerArt des neuen
Verfahrens die Prüfung in drei Abschnitten erfolgen, wobei die drei Prüfströme gegen
die drei entsprechenden Strangspannungen eines Drehstomnetzes den gleichen Phasenwinkel
haben. Nach einer anderen Art des Erfindungsgegenstandes können die Prüfströme um
1800 elektrisch gedreht sein.
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Durch diese erfindungsgemäßen Prüfverfahren wird erreicht, daß der
den Wandler beeinflussende Auslösestrom IAus zumindest in einem Abschnitt des Prüfverfahrens
größer ist, als der zur Auslösung mindestens benötigte Strom Igf. Der Schalter löst
also auch dann aus, wenn bereits ein Fehlerstrom vorhanden ist, dessen Betrag kleiner
ist als der Igf.
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Dieses Verfahren soll an Hand eines Beispiels in dem Vektordiagramm
Fig. 3 näher erläutert werden.
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Wie bereits eingangs geschildert, würde ein Schalter, dessen Prüfstrom
die Größe und Richtung von Ip hat, nicht auslösen, wenn bereits ein Fehlerstrom
von der Größe und Richtung 1R vorhanden ist, da der Auslösestrom 1Aus innerhalb
des Auslösekreises A liegt.
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Dreht man nun bei einem zweiten Prüfabschnitt den Prüfstrom um 1800
in die Richtung von Ip', so addiert sich zu diesem der gleiche Fehlerstrom IRX und
man erhält als Auslösestrom den Strom 1Aus, der außerhalb des Auslösekreises A liegt.
Der Schalter löst aus. Allgemein erkennt man, daß der Bereich a-b,
in
dem der Schalter bei Prüfung mit dem Strom (1. Prüfabschnitt) nicht auslösen würde,
bei gedrehtem Prüfstrom I,' in den Bereich a', b' übergeht, der außerhalb des Auslösekreises
A liegt, so daß bei dem zweiten Prüfabschnitt der Schalter abschaltet. Entsprechendes
gilt für den Bereich c' und d', in welchem der Schalter im zweiten Prüfabschnitt
nicht abschaltet, im ersten Prüfabschnitt (c-d) jedoch abschalten würde.
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Fig. 4 zeigt im Vektordiagramm entsprechende Verhältnisse bei drei
Prüfabschnitten. Hier wird der Prüfwiderstand R, (Fig. 1) nacheinander an die Phasen
U, V, W gelegt, wobei das andere Ende von R fest mit dem Mittelpunktleiter Mp (vor
dem Wandler 2, Fig. 1) verbunden bleibt. Die Prüfströme haben dann nacheinander
die Richtungen von IR, IS, 1T und seien mit Ip' lp", Ip"' bezeichnet. Ist z. B.
ein Fehlerstrom IF<lgf bereits in der Anlage vorhanden - der skizzierte Strom
kann als Summenstrom je eines Fehlers in der Phase S und in der Phase T entstanden
sein - würde beim Fließen des Prüfstromes Ip' der Schalter nicht auslösen. Der Auslösestrom
IÁUS ist kleiner als der Grenzfehlerstrom Igt; er liegt innerhalb des Auslösekreises
A. Beim Fließen des Prüfstromes J,>" bzw. /p"' würde der Schalter jedoch abschalten,
da IAUs bzw. IX/ÚSX die sich als geometrische Summe aus 1p und I," bzw. I,"' zusammensetzen,
größer als Igf sind; sie liegen beide außerhalb des Kreises A. Der Schalter wird
bei Betätigen der Prüftaste auch bei Vorhandensein eines ungefährlichen Fehlerstromes
in einem der Prüfabschnitte abschalten.
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Zur Erfindung gehören Schaltungen, mit denen sich die neuen Prüfverfahren
durchführen lassen. So ist nach einer Ausführungsform die Prüfwicklung umpolbar.
Nach einer anderen Ausführungsform ist mit der Prüfwicklung eine zu dieser gegenläufige
Wicklung mit doppelter Windungszahl in Reihe schaltbar.
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Man erreicht nach beiden neuen Schaltungen einfach eine Phasendrehung
des Prüfstromes um 1800 elektrisch. Fig. 5 zeigt ein Schaltungsbeispiel, bei dem
die Prüfwicklung umpolbar ist. Die Arbeitsweise des Schalters selbst ist bereits
an Hand Fig. 1 beschrieben.
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Einander entsprechende Teile der Fig. 1 und 5 haben gleiche Bezugszeichen
erhalten. Als Prüfwicklung dienen hier die Betriebswicklung S-V bzw. R-U des Wandlers
2. In der Mittelstellung des zweipoligen Umschalters K ist der Prüfstromkreis unterbrochen.
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Ist K nach oben gelegt, ist die Prüfschaltung entsprechend Fig. 1
hergestellt, und der Prüfstrom hat die Richtung von lp in Fig. 3. Bei nach unten
gelegtem Schalter K sind die Phasen gegenüber der ersten Schaltung vertauscht. Der
Prüfstrom hat die Richtung von lp' in Fig. 3. Man benötigt für diese Schaltung einen
zweipoligen Umschalter.
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Mit einem einpoligen Umschalter kommt man aus, wenn eine Schaltung
nach Fig. 6 verwendet wird. Bei nach unten gelegtem Schalter L ist wiederum die
Prüfschaltung
der Fig. 1 hergestellt; der Prüfstrom hat die Richtung von lp in Fig. 3. Bei nach
oben gelegtem Schalter L fließt der Prüfstrom zusätzlich durch die auf den Wandler
zusätzlich aufgebrachte Wicklung 5. Die erste Windung dieser Wicklung 5 hebt die
durch die Wicklung S-V hervorgerufene Durchflutung auf, die zweite Windung erzeugt
eine Durchflutung, die der ersten entgegengesetzt ist. Man erhält also dieselbeWirkung
wie bei einem Prüfstrom der Phasenlage Ip' (Fig. 3).
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Wenn in beiden Fig. 5 und 6 auch Schalter K bzw. L gezeichnet sind,
deren Nullstellung in der Mitte liegen, so wird man zweckmäßig doch Schalter verwenden,
deren Nullstellung an einer Seite liegt.
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Bei Betätigung der Schalter - Drehen oder Drücken -erfolgen dann die
beiden gewünschten Kontaktgaben nacheinander.
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Nach der Erfindung werden Verfahren bzw. Schaltungen angegeben, durch
die ein fehlerfreier Fehlerstromschutzschalter auf seine richtige Arbeitsweise überprüft
werden kann. Bei den erfindungsgemäßen Prüfverfahren schaltet der Schalter auch
dann ab, wenn bereits geringe, den Schalter noch nicht auslösende Fehlerströme in
der Anlage vorhanden sind.
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Dies ist bei den herkömmlichen Prüfverfahren nicht der Fall. Der Schalter
bleibt vielmehr eingeschaltet, und als Folge verbrennen bei diesen Prüfungen die
Prüfwiderstände, die nur für kurzzeitige Belastung ausgelegt sind. Dieser Nachteil
und die Befürchtung, daß der Schalter wegen seines Nichtabschaltens beim Prüfen
nicht zuverlässig arbeitet, werden nach den neuen Verfahren und Schaltungen vermieden.