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Fehlerstrom-Schutzschaltung Zusatz zum Patent: 1095 926 Die Erfindung
bezieht sich auf eine Weiterbildung von Anordnungen zum Schutz elektrischer Anlagen,
bei denen Fehlerströme mit Hilfe eines Differentialwandlers erfaßt werden, der auf
Abweichungen anspricht, bei denen die Summe der Ströme, die zum Verbraucher hin
und von ihm zurückfließen, verschieden ist.
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Im Hauptpatent 1095 926 ist eine Schaltungsanordnung mit besonders
kurzer Abschaltzeit und hoher Ansprechempfindlichkeit zum Schutz elektrischer Anlagen
beschrieben, deren Fehlerströme mittels Differentialwandler erfaßt werden. Der Gegenstand
der Erfindung des Hauptpatentes kennzeichnet sich dadurch, daß der dem Differentialwandler
entnommene Fehlerstrom einem elektrodynamischen Tauchspulsystem zugeführt wird.
Dabei ist eine Schubstange mit dem Auslösespulenkörper verbunden und wirkt entsprechend
der Bewegung der Auslösespule auf eine Auslösesperre ein, so daß eine Abschaltung
der Anlage erfolgt. Die Auslösespule und die damit verbundene Schubstange sind durch
eine Zentrierung auf dem Magnetkern des Tauchspulsystems in axialer Richtung geführt.
Diese Zentrierung kann so ausgebildet sein, daß eine Führung innerhalb des Magneten
selbst vorgesehen ist; z. B. kann ein zylindrischer Stift, der eine Verlängerung
der Schubstange darstellt und mit der Auslösespule fest verbunden ist, in einer
Bohrung im Magneten eingeführt werden. Es ist auch möglich, eine Zentriervorrichtung
zu verwenden, wie sie z. B. bei Lautsprechersystemen benutzt wird. Durch Änderung
der beweglichen Masse und der Federung der Zentrierung kann die mechanische Resonanz
des elektrodynamischen Tauchspulsystems auf Netzfrequenz abgestimmt werden.
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Um die Empfindlichkeit der Anordnung zu erhöhen, kann die Auslösespule
bzw. die Schubstange und damit das zugehörige Auslöseorgan eine mechanische Vorspannung
in Richtung der Auslösekraft erhalten, die jedoch kleiner als die Auslösekraft selbst
ist.
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Um die Empfindlichkeit der Schutzschaltung (d. h. geringer Fehlerstromauslösung)
und ihre mechanische Betriebssicherheit gegen Erschütterungen, d. h. ihre Erschütterungsunempfindlichkeit
zu erhöhen sowie die Verwendung von sehr kleinen elektrodynamischen Tauchspulsystemen
bei den geforderten kleinen Außenabmessungen des Fehlerstromschutzschalters (45
- 70 mm) möglich zu machen, wird erfindungsgemäß zur Unterstützung der Ausschaltleistung
und zur Erreichung der Kleinstabmessungen des Tauchspulsystems das magnetische Streufeld
des Tauchspulsystems beim Ausschaltvorgang herangezogen. Vorzugweise ist zur Verstärkung
der Ausschaltkraft für die Auslösesperre eine magnetische Schaltzunge im magnetischen
Streufeld angeordnet. Dabei kann ein magnetischer Doppelhebel, der im Streufeld
liegt, mit einer Arretierung verbunden sein, die beim Auftreten eines Fehlerstroms
die Schaltzunge freigibt.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird durch Anordnung eines Federsystems
zwischen dem Tauchspulsystem und dem Auslösehebel die Schaltkraft für die Auslösesperre
verstärkt. Die Feder ist vorzugsweise so angeordnet, daß das Magnetsystem über sein
Streufeld eine Anziehungkraft ausübt und ihr somit eine Vorspannung entgegen der
Auslöserichtung erteilt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein z. B. an
einem Gelenk befestigter Magnet vorgesehen, der die Schaltzunge in der Ruhelage
festhält und beim Auftreten eines Fehlerstroms von dem Stößel der Tauchspule abgehoben
wird, so daß die Schaltzunge unter dem Einfluß des Streufeldes die Arretierung auslöst.
Der Magnet kann auch durch eine Feder gegen sein Auflager gedrückt werden, so daß
er beim Abheben durch den Stößel durch die Feder gegen den Auslösehebel bewegt wird.
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Zur Führung oder Verstärkung des Streufeldes können zusätzliche magnetische
Pfade oder Nebenschlüsse vorgesehen sein.
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ES empfiehlt sich, für die Tauchspule zur zentrischen Führung einen
Stift vorzusehen, auf dem eine Zentrierhaube gleitbar befestigt ist, die einem magnetischen
Kern trägt.
Zur Unterstützung der Ausschaltkraft für die Auslösesperre
kann auch eine Feder vorgesehen sein, welche einen seitlich am Magnetsystem angebrachten
Arretierungsstift umgibt.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind den in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
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F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Anordnung gemäß der Erfindung;
F i g. 2 und 3 zeigen eine andersartige Ausführung der Zentrierung für die Tauchspule;
F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Auslösevorrichtung; F i g. 5 zeigt
eine Ausbildung eines Abstützringes; F i g. 6, 7, 8, 9 und 10 zeigen weitere Ausführungsformen
der Auslösevorrichtung im Schnitt und in schematischer Darstellung; F i g. 11 und
12 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele.
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F i g. 1 zeigt ein Magnetsystem 3, in dessen Ringspalt eine Auslösespule
4 mit Hilfe von Führungsfedern 8 gehaltert ist. Die Federn dienen gleichzeitig als
Spannungszuführung über die Schrauben 22 und zur Herstellung der Verbindung mit
dem Differenzwandler 2. Eine aus Eisen bestehende Schaltzunge 23 wird durch das
schematisch angedeutete Streufeld 31 des Magnetsystems 3 je nach Fläche und Stärke
der Schaltzunge angezogen, wobei die Anzugskraft vom Abstand zwischen Schaltzunge
und Magnetsystem abhängt. Das Streufeld 31 ist bei Lautsprechern im allgemeinen
unerwünscht, da es z. B. beim Einbau eines Lautsprechers in einen Fernsehempfänger
unerwünschte Wirkungen auf die Bildröhre ausübt. Im vorliegenden Fall wird jedoch
dieses Streufeld gemäß der Erfindung ausgenutzt.
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Die Schaltzunge 23 liegt normalerweise auf einer Arretierung 24, die
in einem Lager 27 drehbar gelagert ist, und wird in der dargestellten Lage durch
das Streufeld festgehalten. Zwei seitliche Hebelarme 25 und 26 sind mit der Arretierung
24 starr verbunden. Der Hebelarm 25 besteht aus magnetischem Material und ist so
bemessen, daß der magnetische Streufluß immer ein Einrasten der Schaltzunge 23 an
der Stelle 32 bewirkt. Der Hebelarm 26 dient in Verbindung mit einer Einstellschraube
28 dazu, den Abstand zwischen dem Hebelarm 25 und dem Ende des Stößels 5 der Auslösespule
4 einzustellen. Die Einwirkung des Streufeldes 31 auf die Hebel 25 und 26 der Arretierung
ersetzt eine Federanordnung, wobei die dargestellte Anordnung den Vorteil hat, daß
mit zunehmender Amplitude der Schwingung der Auslösespule 4 und somit des Stößels
5 die Anziehungskraft zwischen dem Hebel 25 und dem Magnetsystem 3 mit dem
Quadrat der Entfernung abnimmt, während bei einer Federanordnung eine andersartige
Abhängigkeit vorhanden ist. Diese quadratische Abhängigkeit wirkt sich günstig für
den Auslösevorgang beim Auftreten eines Fehlerstroms aus. Kurz vor dem Umkehrpunkt
der Schwingungsamplitude ist nämlich nur wenig Energie im Stößel s vorhanden. Um
das System gegen äußere Erschütterung unempfindlich zu machen, ist in der dargestellten
Betriebsstellung der kleine Abstand zwischen dem Stößel s und dem Hebel
25 vorhanden.
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Beim Auftreten eines Fehlerstromes wird durch den Stößel 5 der Hebel
25 angehoben und die Schaltzunge an der Stelle 32 freigegeben, da die Arretierung
24 im Uhrzeigersinn geschwenkt wird; da sich die Schaltzunge 23 dem System
3 nähert, wird die auf sie ausgeübte Kraft quadratisch anwachsen und ist daher in
der Lage, die Auslösesperre 6, 7 des Schutzschalters auszulösen. Die Auslösesperre
6, 7 entspricht der in F i g. 1 des Hauptpatentes dargestellten Auslösesperre 6,
7. Es erfolgt somit eine magnetische Verstärkung der Auslösekraft für die Betätigung
des Schalters. Damit nur eine möglichst kleine Kraft von der beweglichen Auslösespule
4 für die Betätigung der Arretierung 24 aufgebracht zu werden braucht, die zur Überwindung
des Auflagedruckes an der Stelle 32 benötigt wird, der durch die Anziehung der Schaltzunge
23 durch das Streufeld 31 gegeben ist, ordnet man die Auflagestelle 32 möglichst
nahe am Mittelpunkt des Lagers 27 an. Würde man an Stelle der magnetischen Verstärkung
eine Federanordnung verwenden, dann würde die Feder in der Betriebsstellung an der
Stelle 32 den höchsten Auflagedruck hervorrufen. Dieser müßte von der Auslösespule
4 über den Hebel 25 überwunden werden. Außerdem gibt eine Feder am Ende des
Hubweges eine geringere Kraft als im vorgespannten Zustand ab. Die beschriebene
Anordnung ist daher vorteilhafter. Um die Auslösevorrichtung wieder in ihre Betriebslage
zurückzubringen, ist eine Hülse 30 vorgesehen, die an der Schaltzunge 23 befestigt
ist und vom mechanischen Schloß des Schutzschalters betätigt wird.
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Um die Sicherheit der Vorrichtung zu erhöhen, kann nach F i g. 2 und
3 der Kern 33 des Magnetsystems in der oberen Weicheisenplatte 34 einen Stift 35,
aus nichtrostendem Stahl tragen. Auf dem Stift ist eine Zentrierhaube36 aus selbstschmierendem
Kunststoff gleitbar befestigt, welche die Auslösespule 4 trägt und zentriert. Die
Spannungszuführung zur Auslösespule erfolgt über zwei besonders weiche flexible
Drähte 39. Nach F i g. 3 kann auch der Spulenkörper 4 direkt in der Haube geführt
sein. Die Haube verdeckt gleichzeitig den Luftspalt und bietet einen Schutz gegen
das Einbringen von Fremdkörpern.
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Zur Unterstützung der Schwingung des Spulensystems 4 und der Haube
36 ist unterhalb der Haube 36 eine Feder 37 angebracht, die in Verbindung mit dem
Streufeld und einem auf der Haube befestigten magnetischen Anker 38 die Federanordnung
8 der F i g. 1 ersetzt. Der magnetische Kern 38 besteht z. B. aus dünnem
Eisenblech oder einem Eisenklemmring und hat gegenüber einer Federanordnung den
Vorteil, daß mit erhöhter Schwingungsamplitude die Anziehungskraft des Systems 3
geringer wird. Die Auslösespule 4 kann aus mehreren Windungen von Runddrähten oder
einigen Windungen mit Flachquerschnitt bestehen und somit gleich in einem Ansatz
40 (F i g. 3) aufgenommen werden. Zu beachten ist, daß die Zuführungsdrähte nicht
im Querschnitt kleiner sind als der Wicklungsquerschnitt der Auslösespule 4.
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F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der an Stelle der
mechanischen Verklinkung der Schaltzunge nach F i g. 1 eine magnetische Haltekraft
mit Hilfe eines Magneten 55 tritt. Dieser Magnet 55 ist an einem Träger
befestigt, der über ein Gelenk 60 mit einer Abstützung verbunden ist. Der Magnet
55 liegt auf kleinen Stahlkugeln 59 auf, die ihrerseits auf der Schaltzunge 23 ruhen.
Der Magnet 55 wird in der gezeichneten Betriebsstellung von dem Streufeld des Magnetsystems
festgehalten. Die Abstützung des Magneten ist justierbar, so daß er so eingestellt
werden kann, daß er alle Kugeln 59 berührt und daher die Schaltzunge 23 in der dargestellten
Lage hält. Tritt
ein Fehlerstrom auf, so wird der Magnet 55 durch
den Stößel 5 von den Kugeln abgehoben. Hierdurch wird die Schaltzunge 23 frei, d.
h., sie wird vom magnetischen Streufluß 31 in Richtung des Magnetsystems 3 bewegt
und bewirkt über die Auslösesperre 7 das Ausschalten des Schutzschalters. Auch hier
wird wieder vom Schloß des Schalters aus auf die Hülse 30 eine Kraft ausgeübt,
um die Auslösevorrichtung wieder in die Betriebslage zu bringen.
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Die Auflagekugeln 59 können auch. durch einen Schneidenring 58 (F
i g. 5) ersetzt werden, der den Magneten 55 trägt.
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In F i g. 6 ist eine Anordnung dargestellt, bei der der Magnet 55,
der auf den Kugeln 59 aufliegt, in anderer Weise magnetisch gelagert ist. Eine Feder
61 ist in der gezeichneten Lage auf Zug gespannt und einerseits am Magneten 55,
andererseits an dem Hebelarm 6 befestigt. über eine weiche Zwischenlage steht der
Magnet 55 mit dem Anker 62 in Verbindung. Die Anordnung ist in ein rundes Gehäuse
63 eingebaut. Beim Auftreten eines Fehlerstromes hebt der Stößel 5 die Magnetscheibe
55 von der Auflage 59 ab, und die gespannte Feder bewirkt, daß der Magnet 55 zusammen
mit dem Anker 62 gegen den Auslösehebel6 geschleudert wird und dadurch über die
Auslösesperre 7 die Auslösung des Schalters bewirkt. Damit immer der gleiche kleine
Abstand zwischen dem Stößel 5 und dem Magneten 55 gewährleistet ist, ist eine Einstellvorrichtung
57 mit Exzenter am Auslösehebel 6 angebracht. Die ganze Anordnung ist schwingungsfähig
gelagert. Eine weiche Zwischenlage zwischen Magnet 55 und Anker 62, die z. B. aus
Gummi bestehen kann, soll bewirken, daß das schwingende System nicht die ganze Masse
des Ankers 62 beim Abhebevorgang anzuheben braucht.
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Die Ausführung nach F i g. 7 ähnelt der nach F i g. 6, jedoch ist
kein Magnet 55 vorgesehen, sondern der benötigte magnetische Fluß wird vom Tauchspulsystem
3 über die Führungsteile 70 abgeleitet. An Stelle der Auflagekugeln 59 ist ein Schneidenring
58 nach F i g. 5 vorgesehen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 8 ist zwischen dem Magnetsystem
3 und der Auslösesperre 7 eine zusätzliche mechanische Auslöseverstärkung gemäß
der Erfindung vorgesehen. Oberhalb der Aus-Lösespule, d. h. die Schubstange 5 und
dem Hebel 6 des Schaltschlosses ist die Federanordnung zur Verstärkung der Schaltkraft
eingebaut. Eine Arbeitsfeder 41 ist auf der einen Seite in einer Kerbe 42 im wesentlichen
reibungslos geführt. Sie steht auf der anderen Seite mit einer stärkeren schwenkbar
gelagerten Bogenfeder 43 in Verbindung und hat eine geringe Vorspannung, durch die
sie über ihre neutrale Lage entgegengesetzt zur Auslöserichtung, d. h. im vorliegenden
Fall nach unten verschoben wird. Durch die Wirkung des Streufeldes wird die magnetische
Feder 41 je nach ihrem Abstand vom Magnetsystem 3 mehr oder weniger fest gegen einen
Anschlag 46 angedrückt und dadurch gegen äußere Erschütterungen unempfindlich gemacht.
Gegenüber dem Stößel 5 trägt die Feder einen Stift 5', dessen Spitze gegen den Hebel
6 schlägt.
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Beim Auftreten eines Fehlerstromes wird die Feder 41 durch den Stößel
5 angestoßen und über ihre neutrale Stellung nach oben gedrückt. Die Feder 43 kann
sich entspannen und überträgt ihre Kraft über den Stift 5' auf den Auslösehebel
6, so daß die Auslösesperre 7 betätigt wird. Die Endstellung der Federanordnung
kann durch einen Anschlag 44 nach oben begrenzt sein. Zur Rückstellung dient wiederum
eine Hülse 30.
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Mit einer solchen Federanordnung läßt sich selbst bei sehr kleinen
Abmessungen des gesamten Schalters eine mehr als zehnfache mechanische Leistungsverstärkung
erzielen. Die Kraft, die von der Auslösespule aufzufangen ist, um die Feder über
ihre neutrale Lage hinauszubewegen, hängt zunächst davon ab, wie weit die Feder
über ihre neutrale Lage nach unten bis zur Anlage an den Stößel s ausgelenkt ist.
Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, ist es zweckmäßig, den Abstand zwischen dem Stößel
5 und der neutralen Lage der Feder 43 in Verbindung mit der Feder 41 klein zu halten,
da sie dann die von der Auslösespule 4 zu leistende Arbeit geringer ist. Auf diese
Weise ist es möglich, die Empfindlichkeit der Schaltanordnung innerhalb weiter Grenzen
den Verhältnissen anzupassen. Auch durch Auswahl der Stärke der Feder
43 und der damit der auf die Feder wirkenden Vorspannungskraft, kann man
die Schaltkraft der Auslösevorrichtung verändern. Da die von der Auslösespule erzeugte
Kraft so lange nicht von der Lage der Spule abhängig ist, wie sich diese innerhalb
des homogenen Feldes des Tauchspulsystems befindet, besteht gerade bei diesem System
die Möglichkeit, den Stößel 5 auf die Federanordnung einwirken zu lassen.
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Da das Tauchspulsystem in der Nähe des Schaltschlosses liegt, kann
man nach F i g. 9 einen Weicheisenstreifen 47 von dem Südpol des Magnetsystems 3
bis in die Nähe des Hebels 52 führen, so daß sich dort zwei Pole 48, 49 gegenüberstehen.
Die magnetische Anziehungskraft unterstützt die Schaltbewegung insbesondere im oberen
Hubweg der Auslösespule in Richtung auf die Verlängerung des Hebels 52. Die beiden
Polflächen 49, 48 sind so gewählt, daß die zwischen ihnen entstehende magnetische
Anziehungskraft bei eingeschaltetem Fehlerstromschutzschalter stets geringer ist
als die Kraft einer Feder 51 an dem Auslösehebe152. Die Feder 51 hat die Aufgabe,
den Auslösehebel52 in seiner Betriebsstellung zu halten und gegen mechanische Erschütterungen
unempfindlich zu machen. Das Zusammenkleben der beiden Pole N und
S im magnetischen Nebenfeld kann durch Zwischenlegen eines dünnen Abstandsstückes,
z. B. Messing, verhindert werden. Die Feder 51 kann durch eine magnetische Beeinflussung
des Hebels 52 vom Streufeld 31, z. B. nach F i g. 1, ersetzt werden. Eine Schraube
50 dient zur Einstellung des Abstandes zwischen dem Stößel s und dem Auslösehebel
52. Die Rückführung nach der erfolgten Ausschaltung geschieht auch hier wieder über
die Hülse 30.
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Bei der Ausführung nach F i g. 10 dient zur Arretierung 24 ein Stift
54, der seitlich neben dem Magnetsystem angeordnet ist und eine Druckfeder 53 trägt.
Der Hebel 25,26 ist als Winkelhebel ausgebildet, wobei der Hebelarm 25 wieder
durch den Streufluß 31 des Magnetsystems 3 beeinflußt wird.
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F i g. 11 zeigt ein Tauchspulsystem mit Magnet 3 und Tauchspule
4, bei dem durch Instabilität der Schaltzunge 23 eine mechanische Verstärkung
der Auslösekraft für die Auslösesperre 7 erreicht wird. Durch den senkrechten Arm
der Schaltzunge 23 oberhalb der Tauchspule 4 wird je nach Größe, Stärke und Lage
der Schaltzunge 23 gegenüber dem Zentrum des Magnetsystems 3 durch das Streufeld
31 die Schaltzunge in der gezeichneten Lage seitlich stabilisiert.
Durch
Abstimmung der genannten Faktoren wird erreicht, daß an der Zunge 23 nur
eine solche Kraft in Verbindung mit dem Hubweg der Auslösespule 4 benötigt
wird, die diese mit Sicherheit bei der geforderten Empfindlichkeit herzugeben vermag.
Bei sehr starker mechanischer Erschütterung des ganzen Systems einschließlich der
Schaltzunge 23, schwingt diese unter Einwirkung des Streufeldes 31 in einer gedämpften
Schwingung aus. Erst wenn das Tauchspulsystem anspricht, wird die Spitze der Schaltzunge
23 mit ihrer Hülse 30 über die magnetische kritische Gleichgewichtslage hinaus bewegt,
so daß das Streufeld 31 eine mit dem Quadrat des abnehmenden Abstandes der Schaltzungenspitze
zunehmende Kraft auf die Auslösesperre 7 ausübt. Die Schaltzungenspitze mit
der Hülse 30 verändert hierbei ihre Lage gegenüber der gezeichneten Stellung um
90° nach rechts in Richtung des Pfeils 60. Die Rückstellung der Schaltzungenspitze
erfolgt auch hier über die Hülse 30 wie in den übrigen Anordnungen.
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Die in F i g. 12 dargestellte Anordnung ist ähnlich aufgebaut wie
die nach F i g. 1, jedoch ist die Schaltzunge 23 nicht schwenkbar, sondern parallel
verschiebbar gelagert, so daß sie bei Auslösung der Arretierung 24 beim Ansprechen
des Hebels 25 sich als Ganzes nach unten bewegt und dabei mit Hilfe der Stange 61
die Auslösesperre 6, 7 auslöst.
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Das dynamische Tauchspulsystem eignet sich besonders für eine Anordnung
nach den F i g. 4, 6 und 7, da es in der Anfangsstellung bis etwa vor dem Umkehrpunkt
der Schwingungsamplitude eine große Kraft entwickeln kann. Die Anordnungen nach
diesen Figuren erfordern zum Auslösen des Schutzschalters einen kurzen kräftigen
Schlag.
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Bei den beschriebenen Anordnungen sind in den meisten Fällen zwei
Kraftsysteme hintereinandergeschaltet, das schwächere primäre Tauchspulsystem und
das durch das Streufeld betätigte System des Auslösehebels. Da von dem Tauchspulsystem
eine hohe Empfindlichkeit sowie kleinste Abmessungen verlangt werden, genügt seine
Kraft in vielen Fällen nicht allein, um die Auslösesperre zu betätigen. Hierzu wird
das zweite System benutzt, bei dem das Streufeld des Magneten mitwirkt.