DE19537011C2 - Fehlerstromschutzschalter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter zur
Erfassung eines Fehlerstromes in Speiseleitungen eines
Verbraucherstromkreises.
Die DE 38 23 101 A1 beschreibt eine redundante Auslöse
einrichtung für Schutzschalter oder Schutzeinrichtungen,
bei welcher ein Auslöserelais an seinem Anker mit dem Anker
eines Arbeitsrelais in Auslöserichtung gekoppelt ist, wobei
das Auslöserelais nach dem Haltemagnet- oder
Sperrmagnetprinzip arbeitet. Das Auslöserelais und das
Arbeitsrelais sind mechanisch miteinander gekoppelt.
Dadurch ist die Auslösung sichergestellt, wenn entweder das
Auslöserelais oder das Arbeitsrelais anspricht, d. h.
entweder eine Baugruppe, die nach dem Fehlerstromschutz
schaltprinzip arbeitet, oder eine Baugruppe, die nach dem
Prinzip des Differenzstromschalters arbeitet, anspricht.
Die DE 43 22 845 A1 offenbart eine Anordnung zur Messung
von Fehlerströmen in Verbraucherstromkreisen, bei der eine
Anzeigevorrichtung mit einem Summenstromwandler verbunden
ist und eine Fehlerstromanzeige liefert.
Aus der DE 29 51 118 C2 ist eine Schaltungsanordnung zur
Überwachung von Leistungsschaltern bekannt, die das
Abschalten eines Leistungsschalters überwacht. Ein
fehlender Spannungsabfall am Leistungsschalter führt zur
Öffnung eines weiteren Kontaktes. Der weitere Kontakt ist
der Arbeitskontakt eines Relais, wobei die
Versorgungsspannungs des Relais parallel von der Ansteuer
spannung oder von der an dem Leistungsschalter abfallenden
Spannung abgeleitet wird.
Ein Fehlerstromschutzschalter ist ein mechanisches Schalt
gerät, das dazu bestimmt ist, Ströme unter üblichen
Betriebsbedingungen einzuschalten, zu führen und auszu
schalten und die Öffnung von in den Stromkreisen gelegenen
Kontakten zu veranlassen, wenn der Fehlerstrom unter
bestimmten Bedingungen einen vorgegebenen Wert erreicht.
Fehlerstromschutzschalter sind somit hochempfindliche
Schutzeinrichtungen, die einen im Fehlerfall fließenden
Erdschlußstrom von wenigen mA erkennen, diesen Erd
schlußstrom auswerten und mittels einer Kinematik in den
gefährdeten Stromkreisen gelegene Kontakte unterbrechen.
Netzspannungsunabhängige FI-Fehlerstromschutzschalter sind
Fehlerstromschutzschalter, bei denen die Funktionen der
Erfassung, der Auswertung und der Abschaltung nicht von der
Netzspannung abhängen. Solchen netzspannungsunabhängigen
Fehlerstromschutzschaltern steht zur Erfüllung ihrer
Schutzfunktion als Auslöseleistung zur Trennung der Schalt
kontakte nur der tatsächlich zur Erde abfließende Fehler
strom zur Verfügung. In der IEC 755 ist der
netzspannungsunabhängige Fehlerstromschutzschalter daher
auch als Fehlerstromschutzeinrichtung ohne Hilfsenergie
quelle definiert. An solche Fehlerstromschutzschalter
werden hohe Anforderungen gestellt, da ein ungünstiges
Verhältnis zwischen der durch den Fehlerstrom bestimmten
geringen Auslöseleistung von ca. 50-100 µVA und dem zur
Trennung der Schaltkontakte benötigten Arbeitsaufwand
besteht.
In stationären Anlagen wird daher aus Betriebssicher
heitsgründen für die Auslösung das Haltemagnetprinzip
angewandt, d. h. ein Permanent-Magnetrelais wird durch den
Fehlerstrom entregt, dessen Anker fällt ab, ein
zugeordnetes Schaltschloß wird entklinkt und damit die in
den gefährdeten Stromkreisen gelegenen Schaltkontakte
geöffnet. Ein solcher Fehlerstromschutzschalter ist
beispielsweise aus der DE 43 22 845 A1 bekannt. Dabei führt
der zur Erde abfließende Fehlerstrom zu einem Ungleich
gewicht der in den Speiseleitungen durch einen Summenstrom
wandler zu- und abfließenden Ströme. Durch die entstehende
Stromdifferenz wird in der Sekundärwicklung des Summen
stromwandlers eine Spannung induziert und ein Haltemagnet
relais ausgelöst.
Von der zuverlässigen Funktion des Fehlerstromschutz
schalters sind Menschenleben und die Sicherheit von Sach
werten abhängig, so daß ihre Arbeitsweise regelmäßig durch
eine dafür vorgesehene Prüfeinrichtung getestet werden
mußte. Daher ist bei den herkömmlichen Schutzschaltern ein
Prüfstromkreis, bestehend aus einem Prüfwiderstand und
einem Tastkontakt, vorgesehen, der bei Betätigen des
zugeordneten Tasters einen künstlichen Fehlerstrom außer
halb des Summenstromwandlers vorbeifließen läßt, so daß
eine Auslösung erfolgt. Obwohl diese Vorschriften zur
Testung von Fehlerstromschutzschaltern seit einigen Jahr
zehnten angewendet werden, wurde bei groß angelegten
Feldversuchen immer wieder festgestellt, daß Fehlerstrom
schutzschalter ihre Schutzfunktion nicht erfüllen, weil
mechanische Bauteile versagen, das empfindliche Relais
verschmutzt oder die Schaltkontakte verschweißt sind. Zur
Beseitigung dieses Mangels wurde beispielsweise vorge
schlagen, mehrere Fehlerstromschutzschalter hintereinander
zu schalten, oder es wurden aufwendige Prüfeinrichtungen
entwickelt, die den Schutzschalter automatisch und regel
mäßig abschalten. Alle diese Maßnahmen waren jedoch im
Ergebnis unzureichend, da sie jeweils nur Teilbereiche des
Schaltgerätes abdeckten. Das Hintereinanderschalten von
mehreren Fehlerstromschutzschaltern ist, nur um eine
Redundanz ihrer Schutzfunktion zu erreichen, aufwendig,
vervielfacht die Verlustleistung und reduziert zudem die
Betriebssicherheit. Ein automatisierter Testvorgang über
die Prüfeinrichtung hat wiederum zur Folge, daß durch die
willkürliche Stromabschaltung Betriebsstörungen nicht zu
vermeiden sind. Das Betätigen der Prüfeinrichtung ist
beispielsweise deswegen unkomfortabel, weil nach erfolgter
Abschaltung und Wiederinbetriebnahme sämtliche ange
schlossenen Uhren und andere elektronische Verbraucher neu
programmiert werden müssen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Fehlerstrom
schutzschalter zu schaffen, der die oben genannten Probleme
vermeidet und der, falls die konventionelle Abschaltung
versagt, eine Sicherheitsabschaltung vornimmt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patent
anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß zusätzlich
zu der konventionellen FI-Schaltertechnik, die aus Summen
stromwandler, Haltemagnetrelais, Schaltschloß und
Schaltkontakten besteht, ein fabrikseitig vorgespannter,
netzspannungsabhängiger Kraftspeicher vorgesehen ist, d. h.
ein Kraftspeicher, in dem fabrikseitig mechanische Energie,
beispielsweise durch Vorspannung eines Federwerks ge
speichert wird und der eine Sicherheitsabschaltung vor
nimmt, wenn die konventionelle Abschaltung versagt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform öffnet während der
Sicherheitsabschaltung der netzspannungsabhängige Kraft
speicher direkt oder über ein Schaltschloß die Schalt
kontakte des Fehlerstromschutzschalters immer dann, wenn
die eigentlich dafür vorgesehenen Einrichtungen versagen.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen be
vorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fehler
stromschutzschalters zur Erläuterung weiterer erfindungs
wesentlicher Merkmale und Vorteile beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungs
gemäßen Fehlerstromschutzschalters mit einem netzspannungs
abhängigen Kraftspeicher zur Sicherheitsabschaltung und
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Fehlerstromschutzschalters mit einem separaten
Schaltschloß für die Sicherheitsabschaltung.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fehler
stromschutzschalters sowie Speiseleitungen 1, 2 zur Versorgung
eines mit 11 bezeichneten Verbraucherkreises. Die Speiselei
tungen 1, 2 sind durch einen Summenstromwandler 3 geführt, der
den zugehörigen Verbraucherstromkreis 11 überwacht. Der Sum
menstromwandler 3 erfaßt über eine Primärwicklung ein Un
gleichgewicht der auf den Speiseleitungen 1, 2 zu- und abflie
ßenden Ströme, die durch einen zur Erde abfließenden Fehler
strom hervorgerufen werden. Eine Sekundärwicklung 4 des Sum
menstromwandlers 3 ist über Leitungen 5 und 6 mit einem Halte
magnetrelais 7 verbunden. Wird durch einen Fehlerstrom eine
ausreichend hohe Spannung in der Sekundärwicklung 4 des Sum
menstromwandlers 3 induziert, wird das Haltemagnetrelais 7
ausgelöst und entklinkt ein zugeordnetes Schaltschloß (Schalteinrichtung 8), wel
ches in den Speiseleitungen 1, 2 befindliche Schaltkontakte 9
und 10 öffnet. Über Zuleitungen 5a, 6a ist ein netzspannungs
abhängiger Kraftspeicher 12 ebenfalls an die Leitungen 5, 6
zur Erfassung eines Fehlerstromes angeschlossen.
Der netzspannungsabhängiger Kraftspeicher 12 ist ferner über
Leitungen 13, 14 an den vor und hinter dem ersten Schaltkon
takt 9 liegende Anschlüsse 13a, 14a auf der ersten Speiselei
tung 1 und über Leitungen 15, 16 an vor und hinter dem zwei
ten Schaltkontakt 10 liegende Anschlüsse 15a, 16a auf der
zweiten Speiseleitung 2 angeschlossen. Eine in dem Kraftspei
cher 12 vorgesehene Erfassungselektronik (Erfassungseinrichtung 12a) erfaßt über die
Leitungen 13, 14, bzw. 15, 16 die Schaltzustände der Schalt
kontakte 9, bzw. 10. Dadurch erfaßt die Erfassungselektronik
12a den Spannungsabfall über die Schaltkontakte 9, 10 und er
kennt, ob die Schaltkontakte 9, 10 geschlossen oder geöffnet
sind.
Bei einem geringen, gegen Null gehenden Spannungsabfall zwi
schen den Leitungen 13, 14 bzw. 15, 16 sind die Schaltkontakte
9 bzw. 10 geschlossen, während sie bei hohem Spannungsabfall
hochohmig bzw. geöffnet sind.
Erkennt die Erfassungselektronik 12a des Kraftspeichers 12,
daß die zwischen den Leitungen 13, 14 bzw. 15, 16 gelegenen
Schaltstrecken nach einer vorbestimmten Zeitdauer Δt, welche
durch eine Zeitgebervorrichtung 12b festgelegt ist, nicht
hochohmig sind, obwohl ein Fehlerstrom in ausreichender Größe
ansteht, dann entscheidet sie, daß eine Störung in der Funk
tionskette Summenstromwandler 3, Haltemagnetrelais 7, Schalt
schloß 8 und Schaltkontakte 9, 10 vorliegt und entklinkt über
eine Ausgangsschaltung 12c den Kraftspeicher 12. Dieser Kraft
speicher 12 öffnet dann direkt oder gemäß der Zeichnung über
das Schaltschloß 8 die Schaltkontakte 9, 10. Der Kraftspeicher
12 öffnet die Schaltkontakte 9, 10 gewaltsam, d. h. er verfügt
über genügend mechanische Kraft, die Schaltkontakte 9, 10
selbst dann zu öffnen, wenn diese verschweißt oder aus einem
sonstigen Grund schwer zu öffnen sind. Diese Sicherheitsab
schaltung durch den Kraftspeicher 12 stellt somit ein perfek
tes fail-safe-System dar. Der Antrieb für den Kraftspeicher 12
kann vorzugsweise entweder durch ein vorgespanntes starkes
Federwerk oder durch einen Treibsatz erfolgen. Jede Vorrich
tung, die genügend mechanische Kraft zur sicheren Öffnung der
Schaltkontakte 9, 10 aufbringt, ist für diesen Zweck geeignet.
Der Kraftspeicher kann beispielsweise auch als Elektromagnet
ausgebildet sein.
Der Kraftspeicher 12
erfaßt
einen Fehlerstrom. Wird
dann durch die Erfassungselektronik 12a des Kraftspeichers 12
festgestellt, daß die Schaltkontakte 9, 10 nach einer bestimm
ten Zeit nicht geöffnet sind, liegt ein Versagen des Schalt
schlosses 8 vor und es erfolgt die Sicherheitsabschaltung
durch den Kraftspeicher 12.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird eine weitere Ausführungsform
erläutert. Gegenüber Fig. 1 sind gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals detailliert
beschrieben. Der Kraftspeicher 12 ist an ein zusätzliches
Schaltschloß 8b angeschlossen, über welches eine Sicherheits
abschaltung zugeordneter zusätzlicher Schaltkontakte 9b, 10b
in den Leitungen 1, 2 in dem Fall erfolgt, daß die normale
Abschaltung über das Haltemagnetrelais 7, das Schaltschloß 8a
sowie die Schaltkontakte 9a, 10a versagt. Die Schaltkontakte
9b, 10b sind in Serie zu den Schaltkontakten 9a, 10a in die
Speiseleitungen 1, 2 geschaltet. Die in Fig. 2 gezeigte Aus
führungsform besitzt im Vergleich zu der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform den Vorteil, daß die Sicherheitsabschaltung
auch dann erfolgt, wenn das Schaltschloß 8a versagt. Wie aus
Fig. 2 hervorgeht, ist das an das Haltemagnetrelais 7 ange
schlossene Schaltschloß 8a von dem Kraftspeicher 12 getrennt.
Die beiden Schaltschlösser 8a, 8b können mechanisch bei einer
weiteren nicht gezeigten Ausführungsform so gekoppelt sein,
daß sie auf ein einziges Paar an Schaltkontakten 9, 10 wirken.
In diesem Fall öffnet das Schaltschloß 8a bei der gewöhnlichen
Abschaltung die Schaltkontakte 9, 10 derart, daß sie wieder
einschaltbar sind, wohingegen bei der Sicherheitsabschaltung
die Schaltkontakte 9, 10 durch das Schaltschloß 8b so geöffnet
werden, daß sie nicht mehr geschlossen werden können.
Der Kraftspeicher 12 ist bei allen Ausführungsformen derart
ausgelegt, daß die Schaltkontakte 9, 10 bzw. 9b, 10b nach ih
rer gewaltsamen Öffnung nicht mehr geschlossen werden können.
Der Fehlerstromschutzschalter muß dann ausgewechselt werden.
Dies ist durchaus zweckmäßig, da ein Schutzschalter, dessen
Funktionskette zwischen Summenstromwandler und Schaltkontakten
einmal versagt hat und bei dem eine Sicherheitsabschaltung
notwendig wurde, sowieso ausgewechselt werden sollte.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Kraftspeicher 12
zusätzlich mit einer Anzeigevorrichtung versehen, die nach
erfolgter Sicherheitsabschaltung anzeigt, daß keine gewöhnli
che Abschaltung, sondern eine Sicherheitsabschaltung erfolgt
ist und daß der Fehlerstromschutzschalter ausgewechselt werden
muß. Dadurch wird verhindert, daß eine Bedienperson bei
einem derart defekten Fehlerstromschutzschalter vergeblich
versucht, die Schaltkontakte 9, 10 wieder zu schließen, obwohl
der Kraftspeicher 12 derart ausgelegt ist, daß nach erfolgter
Sicherheitsabschaltung ein Einschalten der Schaltkontakte 9,
10 mit Sicherheit nicht möglich ist. Die Bedienperson wird
vielmehr durch die Anzeigevorrichtung darauf hingewiesen, daß
der fehlerhafte Fehlerstromschutzschalter auszuwechseln ist.
Der Fehlerstromschutzschalter mit Kraftspeicher 12 gemäß der
Erfindung vermeidet die Nachteile, die durch eine Prüfung mit
tels einer Testeinrichtung entstehen. Bei einer weiteren Aus
führungsform wird auf eine solche Testeinrichtung verzichtet,
da durch die Sicherheitsabschaltung im Fehlerfall immer die
Schaltkontakte 9, 10 geöffnet werden. Eine Prüf- bzw. Testein
richtung zur Prüfung der Funktionsfähigkeit der Funktionskette
Summenstromwandler 3, Haltemagnetrelais 7, Schaltschloß 8 so
wie Schaltkontakte 9, 10 kann aber wahlweise zusätzlich zu dem
Kraftspeicher 12 vorgesehen sein. Über einen Prüfstromkreis,
bestehend aus einem Prüfwiderstand und einem Tastkontakt wird
bei Betätigen eines zugeordneten Tasters ein künstlicher Feh
lerstrom erzeugt, welcher bei einem fehlerfreien Fehlerschutz
schalter über die Funktionskette Summenstromwandler 3, Halte
magnetrelais 7, Schaltschloß 8 zu einer Öffnung der Schaltkon
takte 9, 10 führt. Bei einer defekten Funktionskette führt das
Schließen des Prüfstromkreises hingegen zu einer Sicherheits
abschaltung durch den Kraftspeicher 12.
Claims (14)
1. Fehlerstromschutzschalter mit einem Summenstromwandler (3)
zur Erfassung eines Fehlerstromes in Speiseleitungen (1,
2) eines Verbraucherstromkreises (11),
einem Haltemagnetrelais (7), das an den Summenstromwandler (3) angeschlossen ist, sowie mit
einer mit dem Haltemagnetrelais (7) verbundenen Schaltein richtung (8, 8a), die mit in den Speiseleitungen (1, 2) liegenden Schaltkontakten (9, 10; 9a, 10a) mechanisch ge koppelt ist,
einem Kraftspeicher (12) zum Öffnen der Schaltkontakte (9, 10; 9b, 10b), wobei
der Kraftspeicher (12) eine Erfassungseinrichtung (12a) aufweist, die vor und hinter den Schaltkontakten (9, 10; 9a, 10a) mit den Speiseleitungen (1, 2) verbunden ist zur Erfassung der Schaltzustände der Schaltkontakte (9, 10; 9a, 10a), und
der Kraftspeicher (12) über Leitungen (5a, 6a) mit der Sekundärwicklung (4) des Summenstromwandlers (3) zur Er fassung eines Summenstroms verbunden ist, so daß der Kraftspeicher (12) bei Vorliegen eines Fehlerstromes ab hängig vom Schaltzustand der Schaltkontakte (9, 10; 9a, 10a) ausgelöst wird.
einem Haltemagnetrelais (7), das an den Summenstromwandler (3) angeschlossen ist, sowie mit
einer mit dem Haltemagnetrelais (7) verbundenen Schaltein richtung (8, 8a), die mit in den Speiseleitungen (1, 2) liegenden Schaltkontakten (9, 10; 9a, 10a) mechanisch ge koppelt ist,
einem Kraftspeicher (12) zum Öffnen der Schaltkontakte (9, 10; 9b, 10b), wobei
der Kraftspeicher (12) eine Erfassungseinrichtung (12a) aufweist, die vor und hinter den Schaltkontakten (9, 10; 9a, 10a) mit den Speiseleitungen (1, 2) verbunden ist zur Erfassung der Schaltzustände der Schaltkontakte (9, 10; 9a, 10a), und
der Kraftspeicher (12) über Leitungen (5a, 6a) mit der Sekundärwicklung (4) des Summenstromwandlers (3) zur Er fassung eines Summenstroms verbunden ist, so daß der Kraftspeicher (12) bei Vorliegen eines Fehlerstromes ab hängig vom Schaltzustand der Schaltkontakte (9, 10; 9a, 10a) ausgelöst wird.
2. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Kraftspeicher (12) und den Schaltkontakten
(9, 10) eine Schalteinrichtung (8) vorgesehen ist.
3. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Erfassungseinrichtung (12a) den Spannungsabfall über
den Schaltkontakten (9, 10) erfaßt.
4. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftspeicher (12) eine Einrichtung (12a) zum Erfas
sen eines Fehlerstromes (1) aufweist.
5. Fehlerstromschutzschalter nach wenigstens einem der vor
angehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftspeicher (12) die Schaltkontakte (9, 10) öffnet,
wenn die Erfassungselektronik (12a) des Kraftspeichers
(12) feststellt, daß ein vorbestimmter Fehlerstrom fließt
und die Schaltkontakte (9, 10) geschlossen sind.
6. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftspeicher (12) elektrisch parallel zu den Schalt
kontakten (9, 10) geschaltet ist.
7. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftspeicher (12) die Schaltkontakte (9, 10) nach
einer vorbestimmten Zeitdauer öffnet.
8. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftspeicher (12) ein vorgespanntes Federwerk auf
weist.
9. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftspeicher (12) einen Treibsatz aufweist.
10. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftspeicher (12) einen Elektromagneten aufweist.
11. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftspeicher (12) mechanisch über eine zusätzliche
Schalteinrichtung (8b) mit den Schaltkontakten (9b, 10b)
verbunden ist.
12. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
er eine Anzeigevorrichtung aufweist, welche anzeigt, daß
die Schaltkontakte (9b, 10b; 9, 10) durch den Kraftspei
cher (12) geöffnet sind.
13. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftspeicher (12) eine Zeitgeberschaltung (12b) ent
hält, durch welche die Zeitdauer zwischen dem Erfassen
des Fehlerstromes und dem Öffnen der Schaltkontakte (9b,
10b; 9, 10) eingestellt ist.
14. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die mit der zusätzlichen Schalteinrichtung (8b) verbunde
nen Schaltkontakte (9b, 10b) jeweils in Serie zu den
Schaltkontakten (9a, 10a) geschaltet sind, welche mecha
nisch an das durch das Haltemagnetrelais (7) gesteuerte
Schaltschloß (8a) gekoppelt sind.
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1995
- 1995-10-04 DE DE1995137011 patent/DE19537011C2/de not_active Expired - Fee Related
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