DE19619629C1 - 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 eines Fehlerstromschutzschalters, der jeweils einen Summen­ stromwandler, einen Auslöser und ein Schaltschloß aufweist, wobei Prüfimpulsen in einer Folge aus einer steuerbaren Stromquelle in vorbestimmten Stufen mit zunehmender Höhe in den Summenstromwandler eingespeist werden, während 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, wobei der beim Auftreten des Induktionsim­ pulses vorhandene Wert des eingespeisten Stroms mit einem der einwandfreien Arbeitsweise des Fehlerstromschutzschalters zugeordneten Wert zur Fehlererkennung verglichen wird nach DE 195 29 474 C1.

Mit den in DE 195 29 474 C1 beschriebenen Maßnahmen ist eine automatische Überwachung von Fehlerstromschutzschaltern mit wenig Zusatzeinrichtungen für die Prüfung der Funktionsfähigkeit möglich. Das Verfahren gemäß DE 195 29 474 C1 nutzt die konstruktiven Merkmale der Auslöseelemente von Fehlerstromschutzschaltern aus. Dieses Elemente bestehen z. B. aus einem schalenkernförmi­ gen, permanentmagnetischen Unterteil, welches mit einer aus Weicheisen hergestellten Dec­ kelscheibe einen nahezu geschlossenen, magnetischen Kreis bildet. Im Inneren des Unterteils ist eine Spule und ein Federelement eingebaut, welches gegen die Deckelscheibe drückt. Bei unbestromter Spule bleibt der magnetische Kreis geschlossen. Bestromt man die Spule so, daß das entsprechende Magnetfeld dem Permanentmagneten entgegen wirkt, hebt die Dec­ kelscheibe ab. Dieser 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.

Bekannt sind ein Verfahren und eine Anordnung zum automatischen Überwachen eines Feh­ lerstromschutzschalters, der einen Auslöser und ein Schaltschloß aufweist, wobei in den Summenstromwandler periodisch kurzzeitig Stromimpulse zur Simulation von Fehlerströmen eingespeist werden (DE 38 35 677 A1). Der Auslösestrom wird bei diesem Verfahren mit Hilfe eines ansteigenden Prüfstroms gemessen. Zugleich wird mit der bekannten Meßvorrich­ tung die im Auslösezeitpunkt auftretende Berührungsspannung bestimmt. Zunächst wird die auf den Nennfehlerstrom bezogene Berührungsspannung gemessen und dann der Prüfstrom in vorgegebenen Stufen erhöht, bis der Fehlerstromschalter auslöst. Die Stufen werden gezählt. Die Zahl der Stufen im Auslösezeitpunkt entspricht, bezogen auf die Gesamtstufenzahl, dem Auslösestrom. Für die Messungen und Berechnungen ist ein Prozessor notwendig.

Bekannt ist ferner ein sich selbst überwachender Fehlerstromschutzschalter, bei dem im Nor­ malbetrieb eine elektromagnetische Halteeinrichtung für Schaltkontakte stromdurchflossen ist und die Auslösung des Fehlerstromschutzschalters verhindert. Ein Summenstromwandler hat eine zusätzliche Wicklung, in die kurzzeitig Stromstöße zur Simulation eines Fehlerstroms eingespeist werden. Die von den Stromimpulsen erzeugten Spannungsimpulse werden mit einem Grenzwertschalter erfaßt und ausgewertet. Bei Entregung der Spule z. B. durch einen Fehler oder eine Störung in den elektrischen Stromkreisen des Fehlerstromschutzschalters wird der Stromfluß in der Halteeinrichtung unterbrochen, so daß der Fehlerstromschutzschal­ ter auslöst (EP 02 20 408 B1).

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Verfahren und die Anordnung gemäß dem DE 195 29 474 C1 dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine größere Meßgenauigkeit bei der Feststellung des Ansprechstroms erreicht wird.

Das Problem wird bei dem Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Prüfimpulse durch die Parallelschaltung der Spule des Auslösers und der Sekundärwicklung des Sum­ menstromwandlers geleitet und in ihrer Amplitude geregelt werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß Störgrößen wie etwaige zulässige Fehlerströme nicht das Meßergebnis verfäl­ schen können. Es wird also immer der genaue Meßwert des Fehlerstroms erfaßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die automatische Prüfung der Funktionsfähig­ keit von Fehlerstromschutzschaltern. Die Größe des Ansprechstroms läßt sich auf aufgrund des Sollwerts der Amplitude einfache Weise feststellen und mit dem Nennwert vergleichen. Wird der Nennwert vom tatsächlichen Auslösestrom um einen zulässigen Toleranzwert über­ schritten, wird eine Fehlermeldung erzeugt.

Vorzugsweise wird nach jedem Prüfstromimpuls ein Rückholimpuls mit umgekehrten Vor­ zeichen und konstanter Amplitude in die Parallelschaltung eingespeist. Hierdurch wird auf einfache Weise verhindert, daß der Fehlerstromschutzschalter in einwandfreiem Zustand auslöst.

Es ist zweckmäßig, wenn das Auftreten des Induktionsimpulses durch Vergleich einer dem Strom in der Parallelschaltung proportionalen Spannung mit einem Referenzwert festgestellt wird. Das Auftreten des Induktionsimpulses kann schnell und einfach dem Strom zugeordnet werden, durch den der Induktionsimpuls ausgelöst wurde.

Besonders günstig ist es, wenn die an der Parallelschaltung abfallende Spannung gegebenen­ falls nach Verstärkung mit einem Schwellenwert verglichen wird, der dem maximal zulässigen Fehlerstrom entspricht, bei dessen Überschreiten ein Strom mit über dem Ansprechwert des Schutzschalters liegender Amplitude in die Parallelschaltung eingespeist wird, um den Feh­ lerstromschutzschalter zum Ansprechen zu bringen. Diese Ausführungsform hat einen eigen­ ständigen erfinderischen Gehalt.

Falls der Fehlerstromschutzschalter nicht auf den Strom hin ausgelöst, wird eine Zwang­ strenneinrichtung betätigt, um eine Öffnung der Stromkreise zu erreichen. Die Zwangs­ trenneinrichtung ist insbesondere ein pyroelektrischer Aktuator.

Eine Anordnung zur Durchfuhrung des oben angegebenen Verfahrens weist erfindungsgemäß einen in Serie mit der Parallelschaltung der Sekundärspule des Summenstromwandlers und der Spule des Auslösemagneten angeordneten Meßwiderstand auf, der über ein Filter mit einen Komparator verbunden ist, an dem eine Steuerlogik und einen Sollwertgeber für stufen­ förmig ansteigende Amplituden von Stromimpulsen angeschlossen ist, die mit von der Paral­ lelschaltung abgegriffenen und gegebenenfalls verstärkten Signalen in einer Summierstelle verglichen werden, wobei die Regelabweichung einen Regelverstärker beaufschlagt, der als Stellglied Ströme in die Serienschaltung des Meßwiderstands und der Parallelschaltung ein­ speist.

Vorzugsweise gibt die Steuerlogik nach jedem Sollwert für den Prüfstrom einen Sollwert für einen Rückholstrom konstanter Amplitude aus.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die eigenständigen erfinderischen Gehalt hat, ist die Parallelschaltung aus Spule des Auslösers und Sekundärwicklung mit einem Verstärker ver­ bunden, dem ein Komparator nachgeschaltet ist, dessen Referenzspannung auf den maximal zulässigen Fehlerstrom eingestellt ist und dem eine Auswertanordnung nachgeschaltet ist, die einen über dem maximal zulässigen Fehlerstrom liegenden Strom in die Parallelschaltung ein­ gespeist und das Auslösen des Fehlerstromschutzschalters innerhalb einer einstellbaren Zeit überwacht, nach der bei Nichtauslösung eine Meldung und/oder ein Element zur zwangs­ weisen Unterbrechung des Leitungsabzweigs mit dem Fehlerstromschutzschalter betätigt wird. Mit dieser Ausführungsform wird beim Versagen des Auslöseelements zur Sicherheit eine Unterbrechung des Leitungsabzweigs ausgeführt. Der Fehlerstromschutzschalter wird automatisch überwacht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten Merkmale und Vorteile erge­ ben.

Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Fehlerstromschutzschalters und

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Spannung an einer Spule eines Auslösers des Fehlerstrom­ schutzschalters gemäß Fig. 1 bei einem Prüfstrom, der kleiner als der Ablösestrom ist,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Spule des Auslösers des Fehlerstrom­ schutzschalters gemäß Fig. 1 bei einen dem Ablösestrom entsprechenden Prüfstrom,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Spule des Auslösers des Fehlerstrom­ schutzschalters bei einer Leitungsunterbrechung an der Sekundärwicklung des Sum­ menstromwandlers,

Fig. 5 ein Signal am Ausgang eines von der Spannung gemäß Fig. 2 beaufschlagten Kompa­ rators,

Fig. 6 ein Signal am Ausgang des von der Spannung gemäß Fig. 3 beaufschlagten Kompara­ tors,

Fig. 7 das Signal am Ausgang des von der Spannung gemäß Fig. 5 beaufschlagten Kompara­ tors.

In der Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Fehlerstromschutzschalters dargestellt, der in an sich bekannter Weise einen Summenstromwandler enthält, von dem der schematisch gezeich­ nete Kern mit 1 und die Sekundärwicklung mit 2 bezeichnet sind. Die zur Stromzuführung an wenigstens einen elektrischen Verbraucher bestimmten Leitungen, von denen in Fig. 1 drei Phasenleiter und ein Nulleiter gezeigt sind, sind mit 3, 4, 5 und 6 bezeichnet.

Parallel zur Sekundärspule 2 ist die Spule 7 eines Auslöseelements geschaltet, das in DE 195 29 474 C1 näher beschrieben ist. Das Auslöseelement, auch Auslöser im folgenden genannt, ist als Auslöserelais ausgebildet und wirkt durch einen nicht dargestell­ ten Hebelmechanismus auf mit 8 bezeichnete Schaltkontakte, die im Zuge der Binärleitungen angeordnet sind. Der Fehlerstromschutzschalter, im folgenden FI-Schalter genannt, enthält eine Schalter-Elektronik 9. Bestandteile dieser Schalter-Elektronik 9 ist ein Oszillator 10, der niederfrequente Schwingungen erzeugt und einen Pulsgenerator 12 speist, der Prüfstromim­ pulse erzeugt. Ein Steuereingang des Pulsgenerators 12 ist mit einem Sollwertgeber 13 ver­ bunden, der Steuersignale erzeugt, die maßgebend für die Amplitude der Prüfstromimpulse sind. Der Sollwertgeber erzeugt eine Folge von stufenförmig ansteigenden Prüfstromimpul­ sen.

Der Pulsgenerator ist ausgangsseitig mit einer Summierstelle 15 verbunden, der ein Regel­ verstärker 14 nachgeschaltet ist, dessen Ausgang über einen Meßwiderstand 16 an die Spule 7 angeschlossen ist.

Die an der Spule 7 abgegriffene Spannung ist an einen Meßverstärker 17 angelegt der aus­ gangsseitig über einen Schalter 18 mit der Summierstelle 15 verbunden ist. Pulsgenerator 12, Summierstelle 15, Regelverstärker 14, Meßwiderstand 16 und Meßverstärker 17 sind Be­ standteile eines Regelkreises, dessen Regelgröße die Amplituden der Prüfstromimpulse und Rückholimpulse sind.

Der Meßwiderstand 16 ist an die Eingänge 19 eines aktiven Filters 20 angeschlossen, dem ein Komparator 21 nachgeschaltet ist, dessen einer Eingang von einem Referenzwert beauf­ schlagt ist, der auf den Induktionsimpuls in der Spule 7 beim Abheben des Auslösers abge­ stimmt ist. Der Ausgang des Komperators ist mit einer Logikschaltung 22 verbunden, die den Sollwertgeber 13 und den Oszillator 10 steuert. Der Logikschaltung 22 ist ein Anzeigeele­ ment 23 nachgeschaltet.

Mit dem Ausgang des Meßverstärkers 17 ist ein Komparator 24 verbunden, dessen einem Eingang ein Schwellwert zugeführt wird, der auf den maximal zulässigen Fehlerstrom einge­ stellt ist. Mit dem Komparator 24 ist eine Zeitauswertschaltung 25 verbunden, die eingangs­ seitig an den Oszillator 10 angeschlossen ist. Der Ausgang der Zeitauswertschaltung 25 ist mit der Logik 22 verbunden, die im Falle eines Ansprechens einen Prüfimpuls maximaler Amplitude ohne Rückholimpuls auslöst. Ein weiterer Ausgang der Zeitauswertschaltung 25 ist mit einer Leistungsendstufe 26 verbunden, der ein Zwangstrenner 27 nachgeschaltet ist, der insbesondere als pyroelektrischer Aktuator ausgebildet ist.

Der Impulsgenerator 12 erzeugt auf jeden Prüfstromimpuls einen Rückholimpuls umgekehr­ ter Polarität und konstanter Amplitude. Der Sollwertgeber 13 ist insbesondere eine einstellba­ re Spannungsquelle mit einem Digital/Analogwandler, welcher den Sollwertgeber für den Regelkreis darstellt. Mit dieser einstellbaren Spannungsquelle werden die Amplituden der Prüfimpulse eingestellt. Der Rückholimpuls weist gegenüber dem Prüfimpuls umgekehrte Polarität und konstante Amplitude auf. Der Impulsgeber 12 dient als Sollwertgeber für den Regler 14, an dessen Ausgang die zu prüfende Einheit, bestehend aus dem Auslöseelement 7 und der Wicklung 2 des Summenstromwandlers, angeschlossen ist. Weiterhin ist an die zu prüfende Einheit der Meßverstärker 17 angeschlossen, dessen Ausgang auf den Soll- /Istwertvergleicher 15 geleitet wird.

Durch die Regelung der Prüf- und Rückholimpulses, werden von außen kommende Störun­ gen, die z. B. durch einen zulässigen Fehlerstrom verursacht, ausgeregelt bzw. kompensiert.

Am Meßwiderstand 16 wird ein dem Regelstrom proportionales Signal abgegriffen und an das aktiven Filter 20 weitergeleitet.

Die Auswertung des Regelsignals erfolgt über den Komparator 21 und die logische Einheit 22. Das Prüfergebnis, wird mit der optischen Anzeige 23 dargestellt. Im Falle einer Warnung (Fehlerstromschutzschalter ist außerhalb seiner zulässigen Werte) kann zusätzlich zur opti­ schen eine akustische Anzeige erfolgen.

Je nach Prüfschritt und Zustand entstehen drei unterschiedliche Signalformen am Ausgang des aktiven Filters.

Fig. 2 zeigt das Signal bei angeschlossener Sekundärwicklung des Summenstromwandlers und noch nicht erreichtem Abhebepunkt des Auslöseelements.

Fig. 3 zeigt das Signal bei angeschlossener Sekundärwicklung des Summenstromwandlers und erreichtem Abhebepunkt des Auslöseelements.

Fig. 4 zeigt das Signal bei einer Leitungsunterbrechung zur Sekundärwicklung des Summen­ stromwandlers.

Die Signale werden durch einen Komparator 21 in eine digitalverarbeitbare Form gebracht. Fig. 5 bis 7 zeigen Signale nach Fig. 2 bis 4 am Ausgang des Komparators 21.

Der eigentliche Prüfvorgang läuft wie folgt ab:

Der Sollwergeber 13 wird auf einen niedrigen Wert eingestellt, bei dem das Auslöseelement 7, sicher, nicht abhebt. Danach erfolgt ein Meßzyklus der aus Prüf- und Rückholimpuls be­ steht. Wird hierbei, durch ein entsprechendes Signal, festgestellt, daß die Verbindung zur Primärwicklung des Summenstromwandlers nicht vorhanden ist, so wird vorzugsweise eine Zwangstrennvorrichtung (dieser Vorgang wird im Folgenden näher beschrieben) betätigt oder eine Alarmmeldung erzeugt. Ist dies nicht der Fall wird der Sollwert erhöht und der nächste Meßzyklus eingeleitet. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis am Komparator 21 das Abhebesignal erscheint. Ist dieser Punkt erreicht wird die Prüfung abgeschlossen. Die Amplitude des letzten Prüfimpulses ist dem realen Auslösestrom des Fehlerstromschutzschal­ ters direkt proportional.

Der gesamte Prüfvorgang dauert einige Sekunden und kann beliebig oft durchgeführt werden. Der Abstand zwischen zwei Prüfvorgängen wird in der Praxis von einigen Stunden bis zu einer Woche sein.

Auslösen einer Zwangtrenneinrichtung bei Versagen des Auslöseelements oder des Schaltwerks durch zusätzliche Überwachung des Fehlerstroms

Der an die zu prüfende Einheit angeschlossene Meßverstärker 17 wird (wenn nicht geprüft wird) zur Fehlerstromüberwachung benutzt. Hierzu wird dem Verstärker ein Komparator 24 nachgeschaltet. Der Schwellwert des Komparators 24 ist auf den maximal zulässigen Fehler­ strom eingestellt. Wird dieser Wert überschritten, schaltet der Komparator durch und gibt die zeitgesteuerte Auswerteeinheit 25 frei. Diese löst im ersten Schritt einen Prüfimpuls maxima­ ler Amplitude ohne Rückholimpuls aus, um das Schaltwerk zu öffnen. Führt dies nicht zu ei­ ner erfolgreichen Trennung, erkennbar durch immer noch anstehenden Fehlerstrom, so wird im zweiten Schritt eine Zwangstrenneinrichtung betätigt. Diese Zwangstrenneinrichtung (nicht Bestandteil dieser Anmeldung) muß so beschaffen sein, daß in jedem Falle eine Tren­ nung stattfindet (z. B. pyroelektrischer Aktuator) und das danach der Fehlerstromschutz­ schalter nicht mehr einschaltbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die danach arbeitende Schaltung unterscheiden sich, wie aus dem obigen Darlegungen hervorgeht, unter anderem in einem wesentlichen Merkmal, nämlich der Regelung der Amplituden der Prüfströme, während gemäß DE 195 29 474 C1 die Prüfströme aus einer Konstantstromquelle gespeist wer­ den. Vorteile der Erfindung werden im folgenden kurz angegeben:

• 1. Automatische Prüfung des Auslöseelements mit Kompensation eines eventuell fließenden, zulässigen Fehlerstroms.
• 2. Automatische Überwachung der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers.
• 3. Überwachung des Fehlerstroms um bei Versagen des Auslöseelements oder des Schaltwerks eine Zwangstrenneinrichtung zu betätigen.
• 4. Die Einrichtung benötigt, abgesehen von Stromversorgung nur zwei Leitungen für die Steuer- und Prüfschaltkreise.

Claims (8)

1. Verfahren zum automatischen Überwachen der Funktionsfähigkeit eines Fehlerstrom­ schutzschalters, der jeweils einen Summenstromwandler, einen Auslöser und ein Schalt­ schloß aufweist, wobei eine Folge von Prüfimpulsen aus einer steuerbaren Stromquelle in vorbestimmten Stufen mit zunehmender Höhe in den Summenstromwandler einge­ speist wird, während zugleich die Spule des Auslösers auf das Auftreten eines Indukti­ onsimpulses hin überwacht wird, der beim Abheben des Ankers des Auslösers aus seiner einen Endlage auftritt, wobei der beim Auftreten des Induktionsimpulses vorhandene Wert des eingespeisten Stroms mit einem der einwandfreien Arbeitsweise des Fehler­ stromschutzschalters zugeordneten Wert zur Fehlererkennung verglichen wird nach DE 195 29 474 C1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfimpulse durch die Parallelschaltung der Spule (7) des Auslösers und der Sekundärwicklung (2) des Summenstromwandlers (1) geleitet und in ihrer Amplitude geregelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Prüfstromimpuls ein Rückholimpuls mit umgekehrten Vorzeichen und konstanter Amplitude in die Parallelschaltung eingespeist wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten des Induktionsimpulses durch Vergleich einer dem Strom in der Paral­ lelschaltung proportionalen Spannung mit einem Referenzwert festgestellt wird.

4. Verfahren, insbesondere nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Parallelschaltung abfallende Spannung, gegebenenfalls nach Verstärkung, mit einem Schwellenwert verglichen wird, der dem maximal zulässigen Fehlerstrom zu­ geordnet ist, bei dessen Überschreitung ein Strom mit über dem Ansprechwert des Feh­ lerstromschutzschalters liegender Amplitude eingespeist wird und daß das Auslösen des Fehlerstromschutzschalters überwacht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Nichtauslösung des Fehlerstromschutzschalters eine Zwangstrenneinrichtung die Phasenleiter unterbricht.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Serie mit der Parallelschaltung aus Sekundärspule (2) des Summenstromwand­ lers (1) und Spule (7) des Auslösers angeordneter Meßwiderstand (16) über einen Filter (20) mit einem Komparator (20) verbunden ist, der an eine Steuerlogik (22) und einen Sollwertgeber für stufenförmig ansteigende Amplituden von Prüfstromimpulsen ange­ schlossen ist, die mit von der Parallelschaltung abgegriffenen und gegebenenfalls ver­ stärkten Signalen in einer Summierstelle (15) verglichen werden, und daß die Regelab­ weichungen einen Regelverstärker (14) beaufschlagt, der als Stellglied Prüfströme in die Serienschaltung des Meßwiderstands (16) und der Parallelschaltung von Sekundärwick­ lung (2) und Spule (7) einspeist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik nach jedem Sollwert für den Prüfstrom einem Sollwert für einen Rückholstrom konstanter Amplitude ausgibt.

8. Schaltungsanordnung, insbesondere nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschaltung aus Spule (7) des Auslösers und Sekundärwicklung (2) mit einem Verstärker (17) verbunden ist, dem ein Komparator (24) nachgeschaltet ist, des­ sen Referenzspannung auf einen, dem maximal zulässigen Fehlerstrom entsprechenden Wert eingestellt ist und dem eine Auswertanordnung nachgeschaltet ist, die einen über den maximal zulässigen Fehlerstrom liegenden Strom in die Parallelschaltung einspeist und das Auslösen des Fehlerstromschutzschalters innerhalb einer einstellbaren Zeit überwacht, nach der bei Nichtauslösung eine Meldung und/oder eine zwangsweise Un­ terbrechung des Leitungsabzweigs, in dem der Fehlerstromschutzschalter liegt, erfolgt.