DE19529474C1 - Verfahren und Anordnung zur automatischen Überwachung von Fehlerstromschutzschaltern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum automatischen Über­ wachen der Funktionsfähigkeit von Fehlerstromschutzschaltern, die jeweils einen Summen­ stromwandler, einen Anker und ein Schaltschloß aufweisen.

Fehlerstromschutzschalter werden in großen Mengen in der Hausinstallationstechnik und in kleineren Stückzahlen für andere Zwecke eingesetzt. Sie sollen Menschen vor gefährlichen Stromschlägen schützen und Brände, die durch elektrische Einrichtungen entstehen können, verhindern.

Die meisten Fehlerstromschutzschalter arbeiten netzspannungsunabhängig und bestehen aus einem Summenstromwandler mit Sekundärwicklung, an die eine einfache elektronische Schaltung mit einem relaisähnlichem Auslöseelement angeschlossen ist. Dieses Auslöseele­ mente betätigt im Falle eines aufgetretenen Fehlerstroms, ein durch einen Federspeicher vor­ gespanntes Schaltwerk, welches die stromführenden Leitungen abschaltet.

Bekannt sind permanentmagnetische Auslöser für Fehlerstromschutzschalter, die ein Auslöse­ relais, bestehend aus Joch, Anker, Spulenwicklung und Permanantmagnet, aufweisen. Das Auslöserelais befindet sich in einem Gehäuse.

Ein Auslöserelais, das in einem Gehäuse her­ metisch eingeschlossen ist, das eine Kraftübertragungszone aufweist, die mit einem Anker außerhalb des Gehäuses zusammenwirkt, ist aus der DE 29 40 656 A1 bekannt.

Es ist auch bereits ein sich selbst überwachender Fehlerstromschutzschalter der eingangs be­ schriebenen Art bekannt. Bei diesem Fehlerstromschutzschalter ist im Normalbetrieb eine elektromagnetische Halteeinrichtung für Schaltkontakte stromdurchflossen wodurch die Auslösung des Fehlerstromschutzschalters verhindert wird. Ein Summenstromwandler hat eine zusätzliche Wicklung, in die kurzzeitig Stromstöße zur Simulation eines Fehlerstroms eingespeist werden und bei ungestörtem Betrieb den Anker nicht zum Ansprechen bringen. Die von den Stromimpulsen erzeugten Spannungsimpulse werden mit einem Grenzwertschal­ ter erfaßt und ausgewertet. Bei Entregung der Spule, z. B. durch einen Fehler oder eine Stö­ rung in den elektrischen Stromkreisen des Fehlerstromschutzschalters, wird der Stromfluß in der Halteeinrichtung unterbrochen, so daß der Fehlerstromschutzschalter auslöst (EP 02 20 408 B1).

Bekannt ist auch ein Verfahren und eine Anordnung zum automatischen Überwachen eines Fehlerstromschutzschalters, der einen Auslöser und ein Schaltschloß aufweist, wobei in den Summenstromwandler periodisch kurzzeitige Stromimpulse zur Simulation von Fehlerströ­ men eingespeist werden (DE 38 35 671 A1). Der Auslösestrom wird bei diesem Verfahren mit Hilfe eines ansteigenden Prüfstroms gemessen. Zugleich wird mit der bekannten Meßvor­ richtung die im Auslösezeitpunkt auftretende Berührungsspannung bestimmt. Zunächst wird die auf den Nennfehlerstrom bezogene Berührungsspannung gemessen und dann der Prüf­ strom in vorgegebenen Stufen erhöht, bis der Fehlerstromschalter auslöst. Die Stufen werden gezählt. Die Zahl der Stufen im Auslösezeitpunkt entspricht, bezogen auf die Gesamtstufen­ zahl, dem Auslösestrom. Für die Messungen und Berechnungen ist ein Prozessor notwendig.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum automati­ schen Überwachen von Fehlerstromschutzschaltern zu entwickeln, die mit möglichst wenig Zusatzeinrichtung für die Prüfung der Funktionsfähigkeit auskommen.

Das Problem wird für das Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß da­ durch gelöst, daß eine Folge von Prüfimpulsen vorgegebener Länge aus einer steuerbaren Konstantstromquelle in vorbestimmten Stufen mit zunehmender Höhe in den Summenstrom­ wandler eingespeist wird und daß zugleich die Spule des Auslösers auf das Auftreten einen Induktionsimpulses hin überwacht wird, der beim Abheben des Ankers des Auslösers aus seiner einen Endlage auftritt, und daß der beim Auftreten des Induktionsimpulses eingespeiste Konstantstrom gespeichert und mit einem der einwandfreien Arbeitsweise des Fehlerstrom­ schutzschalters zugeordneten Wert verglichen wird.

Dieses Verfahren erlaubt die automatische Prüfung der Funktionsfähig­ keit von Fehlerstromschutzschaltern. Die Größe des Ansprechstroms läßt sich auf einfache Weise feststellen und mit dem Nennwert vergleichen. Wird der Nennwert vom tatsächlichen Auslösestrom um einen zulässigen Toleranzwert überschritten, wird eine Fehlermeldung erzeugt.

Vorzugsweise wird nach jedem Prüfimpuls ein Rückholimpuls mit umge­ kehrten Vorzeichen in den Summenstromwandler eingespeist. Hierdurch wird verhindert, daß der Fehlerstromschutzschalter bei einwandfreiem Zustand anspricht.

Das Verfahren nutzt die konstruktiven Merkmale der Auslöseelemente von Fehlerstromschutzschaltern aus. Diese Elemente bestehen z. B. aus einem schalenkernförmigen, permanentmagnetischen Unterteil, welches mit einer aus Weicheisen hergestellten Deckelscheibe einen nahezu geschlossenen, magnetischen Kreis bildet. Im Inneren des Unterteils ist eine Spule und ein Federelement eingebaut, welches gegen die Deckel­ scheibe drückt. Bei unbestromter Spule bleibt der magnetische Kreis ge­ schlossen. Bestromt man die Spule so, daß das entsprechende Magnetfeld dem Permanentmagneten entgegen wirkt, hebt die Deckelscheibe ab. Die­ ser Vorgang hat zur Folge, daß der nahezu geschlossene, magnetische Kreis öffnet, wodurch ein starker Induktionsimpuls in Spule entsteht. Durch die Einspeisung des Stroms in umgekehrter Richtung unmittelbar nach jedem Prüfimpuls hebt sich der Anker nur um Bruchteile eines Millimeters, so daß keine Auslösung des Fehlerstromschutzschalters stattfindet.

Vorzugsweise werden die Folgen von Prüfimpulsen in vorgegebenen zeit­ lichen Abständen erzeugt. Damit ist sichergestellt, daß die Prüfung im Laufe der Zeit wiederholt wird. Die zeitlichen Abstände können bei­ spielsweise einen Monat betragen. Bei Feststellung eines Fehlers wird ein so hoher Strom in den Summenstromwandler eingespeist, daß eine Schalterauslösung erfolgt. Anschließend wird eine Wiedereinschaltsperre gesetzt.

Eine Anordnung zur automatischen Prüfung von Fehlerstromschutz­ schaltern besteht erfindungsgemäß darin, daß an wenigstens eine Phase des den Fehlerstromschutzschalter speisenden Netzes ein Netzteil ange­ schlossen ist, das die Betriebsspannung für einen Konstantstromgenera­ tor, eine Signalaufbereitung, eine Meldeeinrichtung und eine Steueran­ ordnung erzeugt, mit der der steuerbare Konstantstromgenerator ver­ bunden ist, der mit den Ausgängen an eine Spule des Summenstrom­ wandlers angeschlossen ist, und daß ein Sensor für die Erfassung von in der Spule des Auslöserelais induzierten Impulsen vorgesehen und über eine Signalaufbereitung mit der Steueranordnung verbunden ist, der die Meldeeinrichtung nach geschaltet ist. Für die selbsttätige Prüfung des Fehlerstromschutzschalters ist im wesentlichen eine elektronische Anordnung ausreichend, d. h. es brauchen keine aufwendige und komplizierte mechanische Mittel vorgesehen werden.

Als Sensor kann insbesondere eine zusätzliche Wicklung auf dem einen Schenkel oder auf dem Joch des Auslöserelais vorgesehen sein. In dieser Spule wird beim Ansprechen des Auslöserelais, d. h. beim Abheben des Ankers, ein Impuls erzeugt, der von der Steueranordnung erkannt wird.

Es ist aber auch möglich, als Sensor einen Hall-Sensor vorzusehen, der am Joch bzw. in der Nähe des Ankers des Auslöserelais angeordnet ist und den Stromfluß beim Abheben des Ankers feststellt.

Die Signalaufbereitung ist vorzugsweise eine Impulsformer- oder Schmitt-Trigger-Schaltung, die ab einem gewissen Schwellenwert des Eingangsimpulses einen Ausgangsimpuls erzeugt, der von der Steueran­ ordnung ausgewertet wird. Mit der Einstellung eines Schwellenwerts werden Störsignaleinflüsse, die zu falschen Reaktionen führen könnten, beseitigt. Gegebenenfalls kann auch eine Kondensatorankopplung an die Spule ausreichend sein, um den Impuls beim Abheben des Ankers der Signalaufbereitung zuzuleiten.

Die Steueranordnung enthält eine elektronische Schaltung, die vorzugsweise durch einen Prozessor realisiert ist, und eine Batteriepufferung, wobei die Batterie nach dem Ausschalten des Fehlerstromschutzschalters die Software-Zeituhr im Prozessor aufrecht erhält. Auf die Batterie kann aber auch verzichtet werden, wenn die vorgegebene Prüfzeit nach dem Wiedereinschalten des Fehlerstromschal­ ters neu angestoßen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Fehlerstromschutzschalters und

Fig. 2 einen permanentmagnetischen Auslöser eines Fehlerstromschutz­ schalters schematisch im Schnitt.

Ein Fehlerstromschutzschalter, im folgenden FI-Schutzschalter genannt, besteht im wesentlichen aus einem Summenstromwandler 1, einer Schal­ ter-Elektronik 2, die an eine Spule 3 des Summenstromwandlers 1 ange­ schlossen ist, einem mit der Schalter-Elektronik 2 verbundenen Auslöser 4 und der Mechanik 5 des Schalters. Die zur Stromführung an wenig­ stens einen Verbraucher benötigten Leiter 6, 7, 8 einschließlich des Neutralleiters N sind durch den Summenstromwandler 1 geführt.

Der Auslöser 4 besteht aus einem in einem Gehäuse 9 angeordneten Auslöserelais 10. Das Gehäuse 9 ist topfartig ausgebildet. Das Auslösere­ lais 10 weist ein U-förmiges Joch 11 und einen Anker 12 auf. Einer der Schenkel des Jochs 11 ist von einer Spulenwicklung 13 umgeben, deren Enden mit der Schalter-Elektronik 2 verbunden sind. Unterhalb des Jochs befindet sich ein Permanentmagnet 14. Der Anker 12 wirkt mit ei­ nem außen am Gehäuse 9 schwenkbar gelagerten Übertragungshebel 15 zusammen. Das Auslöserelais 10 ist im Gehäuse 9 durch Haltevor­ richtungen 16 gehaltert.

Im Ruhezustand des Auslöserelais 10 wird der Anker 12 durch die Kraft des Permanentmagneten 14 auf den Polschuhen des Jochs 1 gehalten. Im Auslösefall wird die Kraft des Permanentmagneten 14 durch die Kraft des von der Spule 13 erzeugten magnetischen Felds aufgehoben und der Anker 12 kann, durch die Kraft einer Feder 17 beaufschlagt, von den Polschuhen abheben, wodurch der Übertragungshebel 15 geschwenkt wird.

Auf dem Joch 11 des Auslöserelais 10 befindet sich eine weitere Spule 18, bei der es sich um eine Sensorspule handelt, die mit einer Si­ gnalaufbereitungsschaltung 19 verbunden ist. Die Signalaufbereitungs­ schaltung 19 ist als Schwellwertdetektor, insbesondere als Schmitt-Trig­ ger, ausgebildet. Ausgangsseitig ist die Signalaufbereitungsschaltung 19 mit einer Steuerschaltung 20 verbunden, die vorzugsweise wenigstens einen Prozessor enthält. Die Steuerschaltung 20 kann ein Mikrocontroller sein. An die Steuerschaltung 20 ist eine Meldeeinrichtung 21 angeschlos­ sen, die Leuchtanzeigen 22 aufweist.

Die Steuerschaltung 20 ist mit einem Konstantstromgenerator 21 verbun­ den, der steuerbar dahingehend ausgebildet ist, daß er Konstantströme unterschiedlicher Höhe in Abhängigkeit von den ihm zugeführten Steuersignalen erzeugten kann. Der Ausgang des Konstantstromgenera­ tors 23 ist mit einer Wicklung 24 des Summenstromwandlers 1 verbun­ den. Der Konstantstromgenerator 23 kann Ströme unterschiedlicher Stromrichtung erzeugen. An der dem oder den Verbrauchern zu gewandten Seite der Schaltkontakte des FI-Schutzschalters ist ein Netzteil 25 angeschlossen, das die Betriebsspannung für den Konstant­ stromgenerator 23, die Steuerschaltung 20, die Meldeeinrichtung 21 und die Signalaufbereitung 19 zur Verfügung stellt. In der Steuerschaltung 20 ist ein Wert für den Ansprechstrom des Auslöserelais 10 mit einer entsprechenden oberen und unteren Toleranz gespeichert. Es handelt sich um den Nenn-Ansprechstrom. Weiterhin enthält die Steuerschaltung ein Programm, mit dem der Konstantstromgenerator 23 dazu veranlaßt wird, eine Folge von Konstantströmen anzugeben, deren Höhe in Stufen zunimmt, d. h. der Konstantstromgenerator erzeugt eine Folge von Prü­ fungsimpulsen nach Art einer Treppe. Der Ausgang der Signalaufberei­ tung 19 beaufschlagt einen Trigger-Eingang des Mikrocontrollers der Steuerschaltung 20. In der Steuerschaltung 20 ist weiterhin ein Zeitglied zur Aktivierung des Steuerprogramms für den Konstantstromgenerator 23 vorhanden, das nach vorab festgelegten Zeitintervallen die automatische Prüfung des FI-Schutzschalters veranlaßt.

Die Auslösung einer Prüfung kann beispielsweise von einer Uhr angestoßen werden, die z. B. beim Einschalten des FI-Schutzschalters angestoßen wird und z. B. Zeitintervalle von einem Monat erzeugt.

Zur Prüfung des Auslösestroms des FI-Schutzschalters wird die Folge der Prüfimpulse und von Rückholimpulsen von der Konstantstromquelle erzeugt und in die Spule 24 eingespeist. Auf jeden Prüfimpuls folgt daher ein Rückholimpuls mit umgekehrten Vorzeichen.

Dies erfolgt in vorbestimmten definierten Stufen, so daß eine Strommes­ sung nicht erforderlich ist. Der Prüfstrom wird solange gesteigert bis es zum Abheben des Ankers 12 bzw. einer anderen Auslösebauart der Deckelscheibe kommt. Die Stromstärke, die zum Abheben der Deckel­ scheibe geführt hat, entspricht exakt dem Auslösestrom. Die Erkennung des Abhebens erfolgt durch Detektieren des dabei entstehenden Induk­ tionsimpulses. Da die Prüfung nicht zum Ausschalten des Schaltwerks führen soll, läßt man den Anker 12 bzw. die Deckelscheibe nur Bruch­ teile von Millimetern abheben und erzeugt mittels des Konstantstrom­ stromgenerators 23 nach dem Prüfimpuls ein Rückholimpuls mit umge­ kehrter Stromrichtung, der dafür sorgt, daß der Anker 12 bzw. die Deckelscheibe wieder angezogen wird.

Der zeitliche Ablauf der Prüfung des Auslöseelements in der Folge:

• 1. Prüfimpuls,
• 2. Detektieren des Abhebens und
• 3. Rückholimpuls

kann nicht für jede Ausführungsform des Auslöseelements durchgeführt werden, da aufgrund der Massenträgheit, nach dem Detektieren des Ab­ hebens, das Auslöseelement schon so weit geöffnet sein kann, so daß ein Rückholen nicht mehr möglich ist.

Vorzugsweise wird die Prüfung in der Folge:

• 1. Prüfimpuls und
• 2. Rückholimpuls mit gleichzeitiger Detektion des Abhebens durchge­ führt.

In einem Versuchsaufbau mit einem FI-Schalter wurde folgendes festge­ stellt: Für eine definierte Zeitdauer wurde das Auslöseelement mit einem Prüfimpuls und in direkter Folge mit einem Rückholimpuls beaufschlagt. Im Fall des Abhebens des Ankers 12 bzw. der Deckelscheibe, konnte an der Spule des Auslöserelais 10 nach Ablauf des Prüfimpulses (während der Laufzeit des Rückholimpulses) das induzierte Signal abgegriffen werden. Hebt die Deckelscheibe nicht ab, so wird kein Signal sichtbar.

Durch den Triggerimpuls beim Detektieren des Ansprechens des Ankers 12 wird der Wert des gerade vom Konstantstromgenerator 23 erzeugten Strom gespeichert und mit dem gespeicherten Nennwert verglichen. Wird eine unzulässig große Abweichung festgestellt, dann wird eine Fehler­ meldung erzeugt. Ermittelt die Prüfeinrichtung Auslösewerte, die so hoch sind, daß die Schutzfunktion des Fehlerstromschutzschalters nicht mehr gewährleistet ist, löst die Steuerelektronik über den Konstantstromgene­ rator das Auslöseelement aus und läßt dadurch das Schaltwerk öffnen. Dieser Zustand wird in einem nichtflüchtigen Speicher der Steuerelektronik abgelegt und führt bei jedem Wiedereinschaltversuch erneut zum Abschalten.

Der durch den Konstantstromgenerator erzeugte Prüfimpuls wird in dem oben dargestellten Beispiel über eine Zusatzwicklung in den Summen­ stromwandler eingekoppelt. Das Signal zur Erkennung des Auslösezeit­ punktes wird über eine am Auslöseelement angebrachte Sensorspule ab­ gegriffen.

Durch die so gewählte Anordnung der einzelnen Baugruppen weist der selbstprüfende Fehlerstromschutzschalter ein zusätzlich wesentliches Si­ cherheitsmerkmal "Fail-Save" auf. Ein Ausfall der Prüfelektronik beein­ trächtigt nicht die normale Funktion.

Eine Überwachung des FI-Schalters ist ebenfalls möglich, wenn die Prüf- und Rückholimpulse direkt in die Spule des Auslöserelais einge­ koppelt werden. Ebenso kann der Induktionsimpuls, der durch das Ab­ heben des Ankers bzw. der Deckelscheibe entsteht, direkt an der Spule 13 abgegriffen werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum automatischen überwachen der Funktionsfähigkeit von Fehlerstromschutzschaltern, die jeweils einen Summenstrom­ wandler, einen Auslöser und ein Schaltschloß aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folge von Prüfimpulsen aus einer steuerbaren Konstant­ stromquelle in vorbestimmten Stufen mit zunehmender Höhe in den Summenstromwandler eingespeist werden und daß zugleich die Spule des Auslösers auf das Auftreten eines Induktionsimpulses hin überwacht wird, der beim Abheben des Ankers des Auslösers aus seiner einen Endlage auftritt, und daß der beim Auftreten des Induktionsimpulses vorhandene Wert des eingespeisten Konstant­ stroms mit einem der einwandfreien Arbeitsweise des Fehlerstromschutzschalters zugeordneten Wert zur Fehlererkennung verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Prüfimpuls ein Rückholimpuls mit umgekehrtem Vorzeichen in den Summenstromwandler eingespeist wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge von Prüfimpulsen in vorgegebenen zeitlichen Ab­ ständen erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feststellung einer unzulässigen Abweichung des beim Ab­ heben des Ankers festgestellten Strom vom zugeordneten Wert eine Fehlermeldung erzeugt und die Auslösung des Schaltwerks freigegeben wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feststellung eines Fehlers ein so hoher Strom in den Summenstromwandler eingespeist wird, daß eine Schalterauslösung eintritt.

6. Anordnung zur automatischen Prüfung von der Funktionsfähigkeit von Fehlerstromschutzschaltern, die jeweils einen Summenstrom­ wandler, einen Auslöser und ein Schaltschloß aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Phase des den Fehlerstromschutzschalter speisenden Netzes ein Netzteil (25) angeschlossen ist, das Be­ triebsspannungen für einen Konstantstromgenerator (23), eine Mel­ deeinrichtung (21), eine Signalaufbereitung (19) und eine Steuer­ schaltung (20) erzeugt, mit der der steuerbare Konstantstromgene­ rator (23) verbunden ist, der mit den Ausgängen an eine Spule (24) des Summenstromwandlers (1) angeschlossen ist und daß ein Sensor zur Erfassung von in der Spule des Auslöserelais (10) in­ duzierten Impulsen beim Abheben von dessen Anker über die Si­ gnalaufbereitung (19) mit der Steuerschaltung (20) verbunden, der die Meldeeinrichtung (21) nachgeschaltet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Konstantstromgenerator (23) für die Erzeugung unter­ schiedlich großer Konstantströme in den beiden verschiedenen Stromrichtungen ausgebildet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (20) einen Mikrocontroller aufweist, in dem ein Programm zur Steuerung des Konstantstromgenerators (23) für eine Folge von Prüfimpulsen mit zunehmender Höhe ge­ speichert ist.

9. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerschaltung (23) ein Programm zur Aktivierung ei­ nes Prüfvorgangs in regelmäßigen Zeitabständen gespeichert ist.

10. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerschaltung ein Programm zur Auslösung eines Rückholimpulses durch die Konstantstromquelle (23) vorgesehen ist.

11. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüf- und Rückholimpulse direkt in die Spule des Auslö­ sers eingespeist werden.

12. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal zur Feststellung des Induktionsimpulses direkt von der Spule des Auslösers abgegriffen wird.