DE19512604A1

DE19512604A1 - Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern

Info

Publication number: DE19512604A1
Application number: DE1995112604
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Phys Berthold; Josef Robert Dipl Ing Kalinski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-04
Filing date: 1995-04-04
Publication date: 1996-10-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Fehlerstromschutzschalter sind Geräte, die in erster Linie den Menschen vor gefährlichen elektrischen Strömen schützen. Berührt man z. B. einen spannungsführenden elektrischen Leiter, so muß der Schalter bei durch den Körper fließenden Strömen von kleiner 30 mA nach einer Zeit kleiner 200 ms abgeschaltet haben.

Die Funktionsweise eines Fehlerstromschutzschalters ist nachfolgend kurz beschrieben:

Fig. 1 stellt einen normalen 2-poligen Fehlerstromschutzschalter dar. Die beiden Netzleitungen, Phase 1 und Null 2 durchlaufen den Summenstromwandler 3 und das Schaltwerk 4. Bei Auftreten eines Fehlerstromes erzeugt der Wandler 3 ein Signal, das den Magnetauslöser 5 zum Ansprechen bringt, der wiederum das Schaltwerk 4 mit Hilfe des Stößels 6 aufschlägt und damit den Strom in den Netzleitungen 1 und 2 unterbricht.

Um die Funktionstüchtigkeit des Fehlerstromschutzschalters in regelmäßigen Abständen überprüfen zu können, ist eine Prüfeinrichtung, bestehend aus Prüftaste 7 und Prüfwiderstand 8, vorgesehen. Bei Drücken der Prüftaste 7 fließt über den Widerstand 8 ein Fehlerstrom, der den Schalter ausschaltet. Nach dem Prüfvorgang schaltet man den Schalter wieder ein.

Der o.g. Magnetauslöser besteht im wesentlichen aus einem Joch, Permanentmagneten, Anker, Spule, Zugfeder, Stift und Gehäuse und wird anhand Fig. 2 näher beschrieben:

Der Permanentmagnet 9 erzeugt im Joch 10 und Anker 11 einen magnetischen Fluß Φ₁ der den Anker fest auf dem Joch hält. Fließt in Spule 12 der durch den Summenstromwandler 3 erzeugte Fehlerstrom (Auslösestrom I_Δ), so erzeugt dieser im Magnetkreis "Joch-Anker" einen magnetischen Fluß Φ₂, der dem Fluß Φ₁ entgegengerichtet ist und diesen in seiner Kraftwirkung auf den Anker aufhebt. Dadurch kann die Feder 13 den Anker 11 vom Joch 10 an der Stelle 14 abheben, wodurch der Stift 6 das Schaltwerk 4 aufschlägt und somit die Leitungen 1 und 2 vom Netz L₁ und N trennt.

Damit Φ₁ in Relation zur Φ₂ den richtigen Wert hat, muß der Permanentmagnet 9 die richtige Magnetisierung aufweisen. Dazu wird er nach dem allgemein bekannten, in Fig. 3 dargestellten Verfahren magnetisiert. Es hat sich bewährt, daß man den Magneten 9 zuerst voll aufmagnetisiert und dann auf den richtigen Wert abmagnetisiert.

Beispielweise gibt man für die Aufmagnetisierung des Auslösers eine Magnetisierspannung von 1000 V vor und für die Abmagnetisierung jeweils 250 V. Das Abmagnetisieren erfolgt dabei mit konstanten, elektrischen Impulsen gleicher Form und Anzahl und damit gleichem Energieinhalts.

Liegt nach dem Abmagnetisieren der Auslösestrom I_Δ des Auslösers oberhalb eines Grenzwertes I_o oder unterhalb I_u, wird wieder voll aufmagnetisiert und mit größerer oder kleinerer Spannung abmagnetisiert.

Im Falle I_Δ < I_o kann man sich auch das Aufmagnetisieren sparen und gleich mit einer entsprechenden Spannung abmagnetisieren. Die Bestimmung der Spannungsschritte erfolgt entweder nach dem Intervallhalbierungsverfahren U_n+1 = U_n(1±2^-n) oder nach einem Teilungsverfahren U_n+1 = U_n(1±2^-kn). Das beschriebene, bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß die für das sichere Funktionieren eines Fehlerstromschutzschalters (FI-Schalters) relevante physikalische Größe, die Auslösescheinleistung S_a des Auslösers, bei der Magnetisierung (Justage) eines FI-Schalters nicht berücksichtigt wird. Abb. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Auslösestrom und -spannung, d. h. die Abhängigkeit der Auslösescheinleistung S_a vom Auslösestrom I_Δ und der Auslösespannung U_Δ. Hat man z. B. für den Magnetisiervorgang eines Auslösers die Auslösestromwerte zwischen 0,45 mA und 0,65 mA festgelegt, so kann die Auslösescheinleistung durchaus zwischen 20 µVA und 200 µVA liegen, je nachdem der magnetische Kreis des Auslösers beschaffen ist.

Abb. 2 zeigt auch die Schwachstellen, die den magnetischen Widerstand, der für den Wert Φ₁ maßgebend ist, beeinflussen.

Man muß zwei Effekte unterscheiden:
Die Haltekraft, mit der der Anker 11 auf dem Joch 10 festgehalten wird, hängt anfangs nur von der magnetischen Kraft ab, die der Magnet 9 durch den magnetischen Nebenfluß im Anker 11 und Joch 10 erzeugt.

Wird diese Kraft durch den in der Spule 12 fließenden Fehlerstrom teilweise kompensiert, zieht die Feder 13 den Anker 11 vom Joch 10.

Treten im Laufe der Zeit (Jahre) Kaltverschweißungen oder andere Klebeeffekte (z. B.: Ölfilme) zwischen den Polflächen 14 und 15 auf, dann reicht auch eine vollständige Kompensation des Magnetflusses nicht mehr aus, um durch die Feder 13 den Anker 11 vom Joch 10 abzuziehen: Der Fehlerstromschutzschalter kann im Fehlerfall nicht mehr auslösen. Da letzterer Effekt erst nach längerer Zeit auftritt, ist er für den Justiervorgang in der Fertigung nicht von Bedeutung.

Von Bedeutung sind jedoch die magnetischen Widerstände des Magnetnebenkreises "Anker 11 - Luftspalt 14, 15 - Joch 10" und des Magnethauptkreises "Magnet 9 - Luftspalt 16 - Luftstrecken 17, 17′ - Joch 10".

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetisierverfahren zu schaffen, mit dem der Permanentmagnet 9 immer den richtigen Magnetfluß Φ₁ erzeugt und zwar unabhängig davon, wie stark die o.g. einzelnen magnetischen Widerstände streuen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Danach magnetisiert man die Auslöser nicht mehr nach dem Auslösestrom I_Δ sondern nach der Auslösescheinleistung S_a = I_Δ U_Δ. Auch wenn die o.g. magnetischen Einzelwiderstände stark streuen, wird man immer so magnetisieren können, daß man in den Bereich B der Fig. 4 fällt. Gelangt man in die Bereiche A bzw. G, so werden die vorgeschriebenen Auslösewerte nicht mehr erreicht.

Befindet man sich im Bereich A, so ist der Auslöser so empfindlich, daß er eventuell entweder durch Erschütterungen oder Stoßströme auslöst; befindet man sich im Bereich C, so löst er eventuell nicht mehr aus. Beides sind Fälle, die durch magnetisieren nur nach dem Auslösestrom I_Δ auftreten.

Um nach der Auslösescheinleistung magnetisieren zu können, muß man nur Auslösestrom und -spannung messen und miteinander multiplizieren.

Bei normalen pulsstrom- und/oder wechselstromsensitiven Fehlerstromschutzschaltern zapft man zum Zwecke der Messung von U_Δ die Leitungen an, die zur Spule des Auslösers führen. Zum Zwecke der Messung von I_Δ fügt man entweder einen Meßwiderstand in eine der o.g. Leitungen ein oder man mißt die Spannung über einem vorhandenem Kondensator und berechnet daraus den Auslösestrom I_Δ.

Bei zeitverzögerten Fehlerstromschutzschaltern genügt es, wenn man nur den Auslösestrom des Auslösers mißt, da dieser aufgrund der, anstelle des Kondensators tretenden elektronischen Zeitverzögerungsschaltung, der Auslösescheinleistung direkt proportional ist und zwar deshalb, weil in der Schaltung ein Komparator o. ä. für eine konstante Auslösespannung U_Δ sorgt.

Da sich der Energiespeicherkondensator C während der Messung entlädt, mißt man nur einige Millisekunden lang I_Δ und berechnet sowohl von I_Δ als auch von U_Δ die Mittelwerte und erhält daraus die dazugehörige Scheinleistung S_a.

U_Δ ermittelt man aus der Gleichung

U_Δ=Ue^-(t/ ^τ)

in der U die eingestellte Schwellwertspannung des Komparators, τ = R·G; C die Kapazität des Energiespeicherkondensators, R den Entladewiderstand und t die Meßzeit in der sich der Energiespeicherkondensator entlädt, bedeuten.

Die Messung des Auslösestromes I_Δ(t) erfolgt mit Hilfe eines Meßwiderstandes, der auch ein Widerstand in der Zeitverzögerungsschaltung sein kann.

Die Auslösespannung U_Δ(t) greift man an geeigneter Stelle ab.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Auslösestrom I_Δ = const. von außen einzuprägen und nach U_Δ abzumagnetisieren, wobei U_Δ sich wieder aus S_a = I_Δ U_Δ ergibt.

Analog kann man eine konstante Auslösespannung U_Δ von außen heranführen und nach dem sich aus S_a ergebenden Auslösestrom I_Δ abmagnetisieren.

Sollten sich extrem hohe oder niedrige Auslösespannungen bzw. -ströme ergeben, so deutet das auf fehlerhafte Auslöser hin, die aussortiert werden können.

Für das Magnetisieren gibt man deshalb Grenzen vor, innerhalb deren sich die Auslösespannungen bzw. -ströme bewegen dürfen.

Da der magnetische Fluß im Magnetkreis des Auslösers sich ändert, wenn der Auslöser in einem FI- Schalter eingebaut wird, weil ihn die Eisenteile des Schaltwerkes unvorhersehbar schwächen, muß vor der Magnetisierung der Auslöser mit dem Schaltwerk verbunden werden.

Für einen nicht zeitverzögerten FI-Schalter trägt das neue Magnetisierverfahren dazu bei, den Ausschuß in der Fertigung zu senken, da es nicht mehr vorkommen kann, daß ein Gerät auf eine zu niedrige oder zu hohe Scheinleistung magnetisiert wird.

Für einen zeitverzögerten Fehlerstromschutzschalter bringt die Magnetisierung nach der Auslösescheinleistung den Vorteil mit sich, daß es nicht mehr vorkommen kann, daß die beim Magnetisieren dem Speicherkondensator zugeführte Energie W = 1/2 · C · U² zu gering ist, um den Auslöser auszulösen.

Außerdem kann man nicht mehr so niedrig magnetisieren, daß der Schalter erschütterungs- und stoßstromempfindlich wird.

Für das neue Verfahren empfiehlt es sich den Magnetisiervorgang in den Montageprozeß zu integrieren, so daß die Endmontage, z. B. Aufbringen des Isolierschlauches, Aufsetzen des Schalterdeckels usw. erst nach der Magnetisierung erfolgt.

Dies hat den Vorteil, daß bei vorhergehenden Montagefehlern, defekten Bauteilen und/oder Baugruppen die Demontage des fertig montierten Schalters vor der Reparatur entfällt.

Anhand von Zeichnungen soll die Erfindung, sowie deren Vorteilhafte Ausgestaltung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Fehlerstromschutzschalters,

Fig. 2 einen Magnetauslöser,

Fig. 3 das Flußdiagramm des allgemein bekannten Magnetisierverfahrens,

Fig. 4 den Zusammenhang zwischen Auslösestrom I_Δ und Auslösespannung U_Δ und Auslösescheinleistung S_a,

Fig. 5 eine Schaltung in einem Fehlerstromschutzschalter, mit der man Auslösestrom I_Δ und Auslösespannung U_Δ messen und miteinander multiplizieren kann,

Fig. 6 eine Schaltung eines zeitverzögerten Fehlerstromschutzschalters, mit der man mittels einer in der Zeitverzögerungsschaltung vorhandenen Widerstandes den Auslösestrom I_Δ messen und ihn mit der Auslösespannung U_Δ multiplizieren kann.

Fig. 1 stellt einen normalen 2-poligen Fehlerstromschutzschalter dar. Die beiden Netzleitungen, Phase 1 und Null 2 durchlaufen den Summenstromwandler 3 und das Schaltwerk 4. Bei Auftreten eines Fehlerstromes erzeugt Wandler 3 ein Signal, das den Magnetauslöser 5 zum Ansprechen bringt, der wiederum das Schaltwerk 4 mit Hilfe des Stößels 6 aufschlägt und damit den Strom in den Netzleitungen 1 und 2 unterbricht.

Um die Funktionstüchtigkeit des Fehlerstromschutzschalters in regelmäßigen Abständen überprüfen zu können, ist eine Prüfeinrichtung, bestehend aus der Prüftaste 7 und Prüfwiderstand 8, vorgesehen. Bei Drücken der Prüftaste 7 fließt über den Widerstand 8 ein Fehlerstrom, der den Schalter ausschaltet. Nach dem Prüfvorgang schaltet man den Schalter wieder ein.

Fig. 2 zeigt einen Magnetauslöser dessen Permanentmagnet 9 im Joch 10 und Anker 11 den Magnetfluß Φ₁ erzeugt, der den Anker fest auf das Joch zieht. Fließt nun durch die Spule 12 der Auslösestrom I_Δ so erzeugt dieser in 11 und 12 einen Fluß Φ₂, der den Fluß Φ₁ aufhebt. Dadurch vermag die Feder 13 den Anker 11 vom Joch 10 abzuheben, wodurch der Stößel 6 das Schaltwerk 4 (Fig. 1) aufschlägt. Der Auslöser befindet sich in einem Gehäuse 18.

Für den magnetischen Widerstand des magnetischen Hauptkreises sind hauptsächlich die magnetischen Einzelwiderstände des Luftspaltes 16 und der Luftstrecken 17 und 17′ ausschlaggebend.

Fig. 3 beschreibt anhand eines Flußdiagrammes den bekannten herkömmlichen Magnetisiervorgang.

Fig. 4 zeigt den physikalischen Zusammenhang zwischen der Auslösescheinleistung S_a, der Auslösespannung U_Δ und dem Auslösestrom I_Δ nach der Gleichung S_a = I_Δ·U_Δ. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Magnetisierverfahrens erreicht man, daß die Auslösescheinleistung immer in den Bereich B fällt. Schalter, die man nicht so magnetisieren kann, daß sie in Bereich B fallen, müssen aussortiert werden.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung in einem Fehlerstromschutzschalter, mit der man Auslösestrom I_Δ und Auslösespannung U_Δ messen und miteinander multiplizieren kann. Darin bedeuten L₁ und N das Netz, 3 den Summenstromwandler, 4 das Schaltwerke 5 den Magnetauslöser, 6 den Stößel der das Schaltwerk 4 aufschlägt, 7 die Prüftaste und 8 den Prüfwiderstand. Fließt über den Körperwiderstand 19 eines Menschen ein Fehlerstrom so wird in der Sekundärwicklung 20 des Summenstromwandlers 3 der Auslösestrom I_Δ induziert. Über dieser Sekundärwicklung 20 greift man die Auslösespannung U_Δ ab und führt sie über einen Verstärker 21 zum Multiplizierer 22, der die Auslösescheinleistung S_a = I_Δ·U_Δ berechnet.

Der zwischen der Sekundärwicklung 20 und Auslöser 3 eingeführte Meßwiderstand 23 dient zum Messen des Auslösestromes I_Δ der ebenfalls über den Verstärker 21 dem Multiplizierer 22 zugeführt wird. 24 stellt einen Verbraucherwiderstand dar.

Fig. 6 zeigt eine Schaltung eines zeitverzögerten Fehlerstromschutzschalters, mit der man mittels eines in der Zeitverzögerungsschaltung 25 vorhandenen Widerstandes 26 den Auslösestrom I_Δ messen und ihn mit der Auslösespannung U_Δ multiplizieren kann. Darin bedeuten wieder L₁ und N das Netz, 3 den Summenstromwandler, 4 das Schaltwerk, 5 den Magnetauslöser, 6 den Stößel der das Schaltwerk 4 aufschlägt, 7 die Prüftaste und 8 den Prüfwiderstand. Fließt über den Körperwiderstand 19 eines Menschen ein Fehlerstrom so wird in der Sekundärwicklung 20 des Summenstromwandlers 3 der Auslösestrom I_Δ induziert. Ober dieser Sekundärwicklung 20 greift man die Auslösespannung U_Δ ab und führt sie über einen Verstärker 21 zum Multiplizierer 22, der die Auslösescheinleistung S_a = I_Δ · U_Δ. berechnet.

Der in der Zeitverzögerungsschaltung 25 vorhandene Widerstand 26 dient in diesem Fall zur Messung des Auslösestromes I_Δ. Auch I_Δ wird über den Verstärker 21 zum Multiplizierer 22 geleitet. 24 stellt wieder einen Verbraucherwiderstand dar.

Claims

1. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet des Magnetauslösers nicht mehr allein nach dem vorgegebenem Auslösestrom I_Δ sondern nach einer vorgegebenen Auslösescheinleistung S_a, d. h. dem Produkt aus Auslösestrom I_Δ und Auslösespannung U_Δ magnetisiert wird.

2. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung so erfolgt, daß die Auslösescheinleistung S_a immer in den Bereich B der Fig. 4 fällt.

3. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bestimmung der Auslösescheinleistung S_a sowohl den Auslösestrom I_Δ als auch die Auslösespannung U_Δ mißt und danach mit Hilfe eines elektronischen Multiplizierers das Produkt aus beiden Werten bildet.

4. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Messung der Auslösespannung U_Δ die Leitungen im Fehlerstromschutzschalter anzapft, die zur Spule des Auslösers führen.

5. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Messung des Auslösestromes I_Δ einen Meßwiderstand in die Leitung nach Anspruch 4 einfügt und über eine Spannungsmessung den Strom I_Δ ermittelt.

6. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Messung des Auslösestromes I_Δ die Spannung U_Δ über einem vorhandenen Kondensator mißt und daraus den Auslösestrom I_Δ ermittelt.

7. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man bei zeitverzögerten Fehlerstromschutzschaltern, die zwischen Summenstromwandler und Magnetauslöser eine elektronische Zeitverzögerungsschaltung besitzen, nur den Auslösestrom I_Δ mißt und die Auslösespannung U_Δ nach vorgegebener Zeit t aus dem physikalischem Zusammenhang zwischen eingestellter Schwellwertspannung U und Meßzeit t, Kapazität C des Energiespeicherkondensators und Entladewiderstand R ermittelt.

8. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Messung des Auslösestromes I_Δ die Spannung U_Δ über einem bereits in der Zeitverzögerungsschaltung vorhandenem Widerstand mißt.

9. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man von außen einen konstanten Auslösestrom I_Δ einprägt und nach der Auslösespannung U_Δ, die sich aus dem Quotienten aus vorgegebener Auslösescheinleistung S_a und Auslösestrom I_Δ ergibt, abmagnetisiert.

10. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man von außen eine konstante Auslösespannung U_Δ eingibt und nach dem Auslösestrom I_Δ, der sich aus dem Quotienten aus vorgegebener Auslösescheinleistung S_a und Auslösespannung U_Δ ergibt, abmagnetisiert.

11. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Auslöseströme I_Δ bzw. -spannungen U_Δ Grenzen vorgibt, innerhalb derer diese liegen sollen und daß man Fehlerstromschutzschalter bei denen diese Grenzen nach oben oder unten hin überschritten wurden, aussortiert.

12. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Magnetisiervorgang der Magnetauslöser mit dem Schaltwerk des Fehlerstromschutzschalters mechanisch verbunden wird.

13. Magnetisierverfahren für Magnetauslöser von Fehlerstromschutzschaltern nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetisiervorgang in den Montageprozeß einer Fehlerstromschutzschalter-Fertigung integriert wird und voll automatisch abläuft.