DE19729168A1

DE19729168A1 - Fehlerstrom-Schutzschalter

Info

Publication number: DE19729168A1
Application number: DE19729168A
Authority: DE
Inventors: Takashi Hashimoto; Kiyoshi Tanigawa; Shoji Sasaki; Katsumi Watanabe
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2017-07-09
Also published as: TW342512B; CN1144248C; US5856902A; KR980011564A; DE19729168B4; CN1173035A; KR100449959B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstrom-Schutzschalter.

Fig. 16 zeigt ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Fehlerstrom-Schutzschalters. Fig. 17 ist ein Zeitdiagramm der Ausgangssignale an verschiedenen Punkten A-G des Blockschaltbilds in Fig. 16. Gemäß Fig. 16 und 17 tritt in der Sekundärwicklung eines Stromwandlers 3 in der Form eines Nullphasenstrom- oder Nullstrom-Transformators (zero phase current transformer), durch den sich die Leiter 2 einer Hauptschaltung erstrecken, ein Sekundärstrom auf, wenn sich die Hin- und Rückströme der Leiter 2 nicht zu Null addieren. Dieser von Null verschiedene Summenstrom soll hier allgemein als Fehlerstrom bezeichnet werden. Er kann als Folge eines "Kurzschlusses" eines leitenden Teils der Hauptschaltung mit Erde (beispielsweise über einen menschlichen oder tierischen Körper) (schwerer Erdstrom), infolge eines Isolationsfehlers (Leckstrom), aber auch als Folge von Blitzschlag (Blitzstrom) auftreten. Da auch der Leckstrom ein Erdstrom ist, wird zwischen einem "schweren Erdstrom", einem "Leckstrom" und einem "Blitzstrom" unterschie den. Beim Leckstrom handelt es sich um einen relativ kleinen sinusförmigen Strom der Netzfre quenz. Der schwere Erdstrom ist deutlich stärker als der Leckstrom, auch periodisch, aber nicht unbedingt sinusförmig. Der Blitzstrom tritt dagegen als hoher impulsförmiger Strom auf.

Der sekundärseitige Fehlerstrom wird mittels eines Widerstands 4 in ein Spannungssignal umgesetzt. Das Spannungssignal wird von einem Verstärker 6 verstärkt, nachdem impulsförmige Störkomponenten oder hochfrequente Fehlerstromkomponenten auf der Sekundärseite des Stromwandlers mittels eines Tiefpaßfilters 5 von dem Spannungssignal entfernt wurden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 6 wird mittels des Schwellenwerts S₁ eines ersten Komparators 7 in positive und negative Impulse aufgelöst. Die positiven und negativen Impulse werden mittels einer ODER-Schaltung OR1 in Form unipolarer Impulse zusammengeführt. Das Ausgangssignal der ODER-Schaltung OR1 wird mittels eines Integrators 8 integriert. Wenn das Ausgangssignal des Integrators 8 den Schwellenwert S₂ eines zweiten Komparators 9 übersteigt, liefert ein Auslösesignalgenerator 10 ein Auslösesignal γ an eine Auslösespule 11, um einen Unterbrecher 1 auszulösen, das heißt die Leiter 2 zu unterbrechen.

Die Abschaltzeit eines schnellen Fehlerstrom-Schutzschalters ist durch die IEC-Norm zum Schutz des menschlichen Körpers auf innerhalb 40 ms festgelegt. Da es gewöhnlich etwa 23 ms dauert, bis der Fehlerstrom-Schutzschalter mechanisch anspricht, bleiben 40 - 23 = 17 ms für die Signalverarbeitung zur Prüfung, ob ein Auslösesignal an die Auslösespule geliefert werden soll. Wenn die Zeitspanne, während derer das Ausgangssignal des Verstärkers 6 den Schwellenwert S₁ des ersten Komparators 7 übersteigt, das heißt die Impulsbreite des Ausgangssignals vom ersten Komparators 7 auf 7 ms eingestellt ist (siehe Fig. 17, linke Spalte) und der Impulsabstand 3 ms beträgt, dann ergibt sich die Gesamtimpulsbreite, die zur Ausgabe des Auslösesignals γ innerhalb der vorgenannten 17 ms nötig sind, mit anderen Worten die Integrationszeit des Integrators 8, zu 17 - 3 = 14 ms.

Im Fall eines nicht unterbrochenen Blitzstroms überschreitet die Gesamtimpulsbreite die vorge nannten 14 ms, wenn die Zeitspanne, während derer das Ausgangssignal des Verstärkers 6 den Schwellenwert S₁ des ersten Komparators 7 übersteigt, für das positive Signal 5 ms und für das negative Signal 20 ms, zusammen also 25 ms beträgt (siehe Fig. 17, rechte Spalte). Wenn daher der Impulsabstand auf 2 ms eingestellt ist, wird innerhalb 16 ms das Auslösesignal γ ausgege ben, und der Fehlerstrom-Schutzschalter unnötig ausgelöst.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen leistungsfähigeren Fehlerstrom-Schutzschalter zu schaffen, der insbesondere nicht unnötig infolge eines Blitzschlags ausgelöst wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Fehlerstrom-Schutzschalter zu schaffen, der einen schweren Erdstrom ebenso wie den normalen Leckstrom unterbricht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Fehlerstrom-Schutzschalter gemäß Patentan spruch 1 bzw. Patentanspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur Unterscheidung zwischen den verschiedenen Fehlerstromursachen macht sich die Erfindung die Tatsache zunutze, daß der relativ schwache Leckstrom und der schwere Erdstrom periodisch sind, der auf einem Blitzschlag beruhende Fehlerstrom dagegen impulsartig auftritt. Der impuls artig auftretende Fehlerstrom wird als solcher erkannt, und es wird verhindert, daß er den Fehlerstromschutzschalter auslöst.

Hinsichtlich der mit der Erfindung erzielten Vorteile und Wirkungen wird auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt,

Fig. 2 und 3 Zeitdiagramme von Signalen an verschiedenen Punkten in dem Blockdiagramm von Fig. 1 bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zeigen,

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm von Signalen an verschiedenen Punkten in dem Blockdiagramm von Fig. 4 zeigt,

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt,

Fig. 7 und 8 Zeitdiagramme von Signalen an verschiedenen Punkten in dem Blockdiagramm von Fig. 6 bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zeigen,

Fig. 9 ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt,

Fig. 10 und 11 Zeitdiagramme von Signalen an verschiedenen Punkten in dem Blockdiagramm von Fig. 9 bei verschiedenen Betriebsbedingungen zeigen,

Fig. 12 ein Blockdiagramm eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt,

Fig. 13 ein Zeitdiagramm von Signalen an verschiedenen Punkten in dem Blockdiagramm von Fig. 12 zeigt,

Fig. 14 ein Blockdiagramm eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt,

Fig. 15 ein Zeitdiagramm von Signalen an verschiedenen Punkten in dem Blockdiagramm von Fig. 14 zeigt,

Fig. 16 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Fehlerstrom-Schutzschalters darstellt, und

Fig. 17 ein Zeitdiagramm von Signalen an verschiedenen Punkten in dem Blockdiagramm von Fig. 16 zeigt.

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Elemente.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel eines Fehler strom-Schutzschalters gemäß der Erfindung beschrieben. Die Fig. 2 und 3 zeigen die Signale an verschiedenen Punkten A-J der Schaltung von Fig. 1 für die drei Fälle eines Leckstroms, eines Blitzstroms und eines schweren Erdstroms.

Wie in bezug auf Fig. 16 beschrieben, wird in der Sekundärwicklung des Stromwandlers 3, durch den die Hauptleiter 2 geführt sind, ein Sekundärstrom erzeugt, wenn in den Hauptleitern 2 ein Leckstrom von beispielsweise 15 mA fließt. Der Sekundärstrom wird mittels des Widerstands 4 in ein Spannungssignal umgesetzt. Das Spannungssignal wird nach Tiefpaßfilterung mittels des Tiefpaßfilters 5 vom Verstärker 6 verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 6 wird beispielsweise bei einer Netzfrequenz von 50 Hz in positive und negative Impulse von 7 ms Impulsbreite mit einem Impulsabstand von 3 ms aufgrund des Schwellenwerts S₁ eines ersten Komparators 7 (erste Erfassungsschwelle) aufgelöst, der zur Umsetzung des den vorgenannten 15 mA entsprechenden Spannungssignals in ein Impulssignal eingestellt ist. Die positiven und die negativen Impulse werden mittels einer ODER-Schaltung OR1 zusammengefügt, die unipolare Impulse abgibt. Im Integrator 8 wird das Ausgangssignal der ODER-Schaltung OR1 intergriert, z. B. ein Kondensator aufgeladen. Die Integrations- oder Aufladezeitkonstante des Integrators 8 ist so eingestellt, daß das Ausgangssignal des Integrators bei einer Gesamtimpulsbreite von beispielsweise 14 ms oder mehr den Schwellenwert S₂ des zweiten Komparators 9 (zweite Erfassungsschwelle) übersteigt und damit das Ausgangssignal des zweiten Komparators 9 vom Wert "L" auf den Wert "H" ändert.

Ein dritter Komparator 12 ist ebenfalls mit den beiden Anschlüssen des Widerstands 4 verbun den. Der Schwellenwert S₃ des dritten Komparators 12 (dritte Erfassungsschwelle) ist höher als der (S₁) des ersten Komparators 7 eingestellt, um nur auf ein höheres sekundäres Ausgangs signal des Stromwandlers 3 anzusprechen. Der dritte Komparator 12 erfaßt einen Summenstrom (Primärstrom) der Hauptleiter 2 von beispielsweise 1A oder mehr und löst das dem erfaßten Strom entsprechende Spannungssignal in positive und negative Impulse auf. Die positiven und negativen Impulse werden in einer zweiten ODER-Schaltung OR2 zusammengefügt und als unipolare Impulse ausgegeben. Ein von dem Ausgangssignal der ODER-Schaltung OR2 getrigger ter monostabiler Multivibrator 13 ist zur Bildung eines Zeitfensters von beispielsweise 30 ms vorgesehen. Ein Zähler 14 zählt die von der ODER-Schaltung OR1 innerhalb dieses Zeitfensters ausgegebenen Impulse und gibt ein Zählsignal ab, wenn er drei Impulse gezählt hat. Bei dem Zähler 14 handelt es sich also um einen Dreiimpuls-Zähler. Das Ausgangssignal des Zählers 14 und das mittels eines Inverters 15 invertierte Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 13 werden einer dritten ODER-Schaltung OR3 eingegeben. Das Ausgangssignal β der ODER- Schaltung OR3 und das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 werden einer UND- Schaltung AND1 eingegeben, und deren Ausgangssignal liegt an dem Auslösesignalgenerator 10 an.

Wenn ein Leckstrom der vorgenannten 15 mA als Primärstrom den Hauptleitungen 2 auftritt (Fig. 2, linke Spalte), bleibt das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 13 auf "L" und wird vom Inverter 15 zu "H" invertiert, da der dritte Komparators 12 den Leckstrom nicht erfaßt und somit den monostabilen Multivibrator 13 nicht triggert. Da infolgedessen auch der Zähler 14 nicht zählen kann, bleibt sein Ausgangssignal auf "L". Dieses "L"-Ausgangssignal und das zu "H" invertierte Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators liegen an der dritten ODER-Schaltung OR3 an, die ihrerseits das Ausgangssignal β mit dem Wert "H" (Reihe J in Fig. 2) an die UND- Schaltung AND1 abgibt. Dessen beide Eingangssignale α und β sind somit "H", so daß von dem Auslösesignalgenerator 10 das Auslösesignal γ (Reihe G in Fig. 2) an die Auslösespule 11 abgegeben wird.

Es sei nun der Fall betrachtet (Fig. 2, rechte Spalte), daß ein Blitzstrom im Primärkreis des Stromwandlers 3 fließt und der erste Komparator 7 sowie die ihm nachgeschaltete ODER-Schaltung OR1 daraufhin ein Ausgangssignal mit einer Gesamtimpulsbreite von 25 ms abgeben (Reihe D in Fig. 2). Da in diesem Fall die Gesamtimpulsbreite die vorgenannte Integrationszeit von 14 ms überschreitet, übersteigt das Ausgangssignal des Integrators 8 den Schwellenwert S₂ des zweiten Komparators 9 (Reihe E in Fig. 2), der daraufhin ein Ausgangssignal α mit dem Wert "H" abgibt (Reihe F in Fig. 2). Da in diesem Fall ein Primärstrom von 1A oder mehr vorliegt, spricht der dritte Komparators 12 an, was ein Ausgangssignal "H" der ODER-Schaltung OR2 zur Folge hat (Reihe H in Fig. 2), wodurch der monostabile Multivibrator 13 getriggert wird (Reihe I in Fig. 2) und für das Zeitfenster von 30 ms den Zähler 14 zum Zählen der Ausgangsimpulse von der ODER-Schaltung OR1 aktiviert. Da dem Zähler 14 jedoch nur zwei Impulse eingegeben werden, wie sich aus Fig. 2, Reihe D, ergibt, bleibt sein Ausgangssignal auf "L". Da das invertierte Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 13 innerhalb des Zeitfensters ebenfalls "L" ist, wird das Ausgangssignal β der ODER-Schaltung OR3 "L" (Reihe J in Fig. 2). Somit bleibt das Ausgangssignal der UND-Schaltung AND1 "L", und das Auslösesignal γ (Reihe G in Fig. 2) wird nicht ausgegeben.

Betrachtet man andererseits unter Bezugnahme auf Fig. 3 den Fall, daß ein sich schwerer Erdstrom im Primärkreis des Stromwandlers 3 auswirkt, dann führt dies dazu, daß das Ausgangssignal des Integrators 8 den Schwellenwert S₂ des zweiten Komparators 9 übersteigt (Reihe E in Fig. 3), da die Gesamtimpulsbreite, die sich beim Vergleich dieses Erdstroms mit dem Schwellenwert S₁ des ersten Komparators 7 ergibt, die vorgenannten 14 ms überschreitet. Als Folge davon wird das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 "H" (Reihe F in Fig. 3). Da auch in diesem Fall der Primärstrom des Stromwandlers 3 1A oder mehr beträgt, spricht auch der dritte Komparator 12 an, und sein Ausgangssignal und das der ihm nachgeschalteten ODER-Schaltung OR2 wird "H" (Reihe H in Fig. 3). Somit wird der monostabile Multivibrator 13 getriggert (Reihe I in Fig. 3) und der Zähler 14 zum Zählen der Ausgangsimpulse von der ODER-Schaltung OR1 freigegeben. Da es sich jetzt um einen periodischen Strom handelt, treten mehr als zwei Impulse auf (Reihe D in Fig. 3). Wenn der Zähler 14 die Anstiegsflanke des dritten Impulses erkannt hat, wird sein Ausgangssignal "H", womit auch das Ausgangssignal β der ODER-Schaltung OR3 "H" wird (Reihe J in Fig. 3). In diesem Fall wird also das Ausgangssignal der UND-Schaltung AND1 "H", und das Auslösesignal γ wird ausgegeben (Reihe G in Fig. 3).

Während also der Leckstrom und der schwere Erdstrom den Fehlerstrom-Schutzschalter innerhalb der vorgeschriebenen Zeit auslösen, spricht dieser auf den Blitzstrom nicht an.

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 4 zeigt als Blockschaltbild ein zweites Ausführungsbeispiel eines Fehlerstrom-Schutzschal ters gemäß der Erfindung. Fig. 5 zeigt wieder zugehörige Signalverläufe an den Punkten A-K in der Schaltung für die beiden Betriebszustände Blitzstrom und schwerer Erdstrom.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 und das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 13 mit den beiden Eingängen einer UND-Schaltung AND2 verbunden. Der Ausgang der UND-Schaltung AND2 ist mit dem Setzeingang eines RS-Flipflops 16 verbunden. Das mittels eines Inverters 17 invertierte Ausgangssignal des zweiten Komparators 9 und das Ausgangssignal des Zählers 14 liegen an den beiden Eingängen einer ODER-Schaltung OR3 an. Der Ausgang der ODER-Schaltung OR3 ist mit dem Rücksetzein gang des RS-Flipflops 16 verbunden. Das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 und das Ausgangssignal β vom invertierten Ausgang Q des RS-Flipflops bilden die Eingangssignale für die UND-Schaltung AND1. Dessen Ausgang ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel mit dem Auslösesignalgenerator 10 verbunden.

Wenn im Primärkreis des Stromwandlers 3 ein Leckstrom von 15 mA auftritt, wird das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 "H", wie dies in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, und das invertierte Ausgangssignal am Ausgang des Inverters 17 wird "L". Da der dritte Komparator 12 den nur 15 mA betragenden Leckstrom nicht erfaßt, bleibt das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 13 auf "L" und dasjenige des Zählers 14 ebenfalls; somit verbleibt das RS-Flipflop im Rücksetzzustand, und sein Ausgangs signal β ist "H". Als Ergebnis wird das Ausgangssignal der UND-Schaltung AND1 "H", und ein Auslösesignal γ wird von dem Auslösesignalgenerator 10 erzeugt.

Im Fall eines Blitzstroms andererseits, werden zwar das Ausgangssignal α des zweiten Kompara tors 9 (Reihe F in Fig. 5) und das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 13 (Reihe I in Fig. 5) "H", wie oben beschrieben, jedoch bleibt das Ausgangssignal des Zählers 14 auf "L" (Reihe K in Fig. 5). Daher wird das RS-Flipflop 16 gesetzt, und sein Ausgangssignal β wird "L" (Reihe J in Fig. 5), während das Ausgangssignal des zweiten Komparators 9 "H" ist. Als Ergebnis bleibt das Ausgangssignal der UND-Schaltung AND1 "L", und das Auslösesignal γ wird nicht ausgegeben.

Im Fall eines schweren Erdstroms schließlich, wird, wie oben beschrieben, das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 13 "H". Dies führt dazu, daß das Ausgangssignal der UND- Schaltung AND2 "H" wird, wenn das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 "H" wird, woraufhin das RS-Flipflop 16 in den Setzzustand gebracht wird und sein Ausgangssignal β "L" wird (Reihe J in Fig. 5). Nachdem dann der Zähler 14 drei von der ODER-Schaltung OR1 gelieferte Impulse (Reihe D in Fig. 5) gezählt hat, wird sein Ausgangssignal "H", das RS-Flipflop 16 wird zurückgesetzt, und das Ausgangssignal β des RS-Flipflops 16 wird "H". (Es sei daran erinnert, daß das Ausgangssignal β dasjenige am invertierten Ausgang des Flipflops ist). Als Folge davon wird das Ausgangssignal der UND-Schaltung AND1 "H", und das Auslösesignal γ wird ausgegeben (Reihe G in Fig. 5).

Drittes Ausführungsbeispiel

Fig. 6 zeigt in Blockschaltform ein drittes Ausführungsbeispiel eines Fehlerstrom-Schutzschalters gemäß der Erfindung. Die Fig. 7 und 8 zeigen Zeitdiagramme mit zugehörigen Signalverläufen an Punkten A-I der Schaltung für die drei Fälle des Leckstroms, Blitzstroms und schweren Erdstroms.

Der dritte Komparator 12 in Fig. 6 erfaßt einen Sekundärstrom des Stromwandlers 3 der höher ist als derjenige, der vom ersten Komparator 7 erfaßbar ist. Das Ausgangssignal des monostabi len Multivibrators 13, der von dem Ausgangssignal der dem dritten Komparator 12 nachgeschal teten ODER-Schaltung OR2 getriggert wird, wird mittels eines Inverters 18 invertiert. Eine Ladebedingungs-Änderungsschaltung 19 ist dazu vorgesehen, als Reaktion auf das Ausgangs signal des Inverters 18 die Ladebedingungen für den Integrator 8 zu ändern, das heißt seine Integrationszeit zu verlängern, und zwar nur während der Dauer des Ausgangssignals vom monostabilen Multivibrator 13.

Gemäß Darstellung in Fig. 6 umfaßt die Schaltung 19 einen Analogschalter 20, der in Reihe mit einem Nebenschlußwiderstand 21 parallel zum Kollektorwiderstand eines Transistors 22 geschaltet ist. Wenn der Analogschalter 20 von dem Ausgangssignal des Inverters 18 einge schaltet wird, ist der Kollektorstrom des Transistors 22 aufgrund des zu dem Kollektorwiderstand nun parallel liegenden Nebenschlußwiderstands 21 relativ hoch. Der Kollektorstrom des Transi stors 22 ist der Basisstrom eines Transistors 23. Der Kollektorstrom des Transistors 23, der dem Integrator 8 geliefert wird, ist in diesem Fall ebenfalls relativ hoch, und der Integrator 8 hat seine normale Integrationszeit. Im Ausschaltzustand des Analogschalters 20 sind der Kollektor strom des Transistors 22 und damit der Basisstrom des Transistors 23 wegen des nun nicht wirkenden Nebenschlußwiderstands 21 verringert. Dies hat eine Verringerung des Kollektor stroms des Transistors 23 und damit desjenigen Stroms zur Folge, der dem Integrator 8 geliefert wird, wodurch die Integrations- oder Aufladezeit des Integrators 8 verlängert wird.

Gemäß Fig. 7, linke Spalte, erfaßt der dritte Komparator 12 einen Leckstrom in Höhe der vorgenannten 15 mA nicht (Reihe H in Fig. 7), so daß in diesem Fall der monostabile Multivibra tor 13 nicht getriggert wird. Daher bleibt das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 13 "L" (Reihe I in Fig. 7) und das mittels des Inverters 18 invertierte Signal "H", wodurch der Analogschalter 20 eingeschaltet wird. Als Folge davon übersteigt das Ausgangssignal des Integrators 8 den Schwellenwert S₂ des zweiten Komparators 9 innerhalb der normalen Integra tionszeit des Integrators 8 (Reihe E in Fig. 7), und das Ausgangssignal α wird "H", so daß ein Auslösesignal γ ausgegeben wird (Reihe G in Fig. 7).

Im Fall des Blitzstroms (rechte Spalte in Fig. 7) werden das Ausgangssignal des dritten Kompara tors 12 und das der ihm nachgeschalteten ODER-Schaltung OR2 "H" (Reihe H in Fig. 7), so daß der monostabile Multivibrator 13 vom Ausgangssignal der ODER-Schaltung OR2 getriggert wird (Reihe 1 in Fig. 7) und das Ausgangssignal "L" des Inverters 18 den Analogschalter 20 während der Dauer dieses Ausgangssignals vom monostabilen Multivibrator 13 ausschaltet und damit die Integrationszeit des Integrators 8 verlängert. Damit verschwindet das Ausgangssignal der ODER-Schaltung OR1, bevor das Ausgangssignal des Integrators 8 den Schwellenwert S₂ des zweiten Komparators 9 erreicht (Reihe E in Fig. 7). Da in diesem Fall das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 auf "L" bleibt, wird kein Auslösesignal γ ausgegeben.

Wenn der dritte Komparator 12 andererseits einen schweren Erdstrom feststellt, wird das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators "H", wie in Fig. 8 (Reihe I) dargestellt, und die Integrationszeit des Integrators 8 wird während der Dauer dieses Ausgangssignals verlängert. Dadurch wird die Zeitspanne, bis zu der das Ausgangssignal des Integrators 8 den Schwellen wert des zweiten Komparators 9 erreicht, verlängert. Da jedoch die ODER-Schaltung OR1 fortgesetzt ihr Ausgangssignal erzeugt (Reihe D in Fig. 8), erreicht das Ausgangssignal des Integrators 8 schließlich den Schwellenwert S₂ des zweiten Komparators 9 (Reihe E in Fig. 8). Somit wird das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 "H", und das Auslösesignal γ wird ausgegeben.

Viertes Ausführungsbeispiel

Fig. 9 zeigt in Blockschaltform ein viertes Ausführungsbeispiel eines Fehlerstrom-Schutzschalters gemäß der Erfindung. Die Fig. 10 und 11 zeigen Zeitdiagramme mit zugehörigen Signalverläufen an Punkten A-G, I und J der Schaltung für die verschiedenen Betriebszustände.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der monostabile Multivibrator 13 vom Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 getriggert, und sein Ausgangssignal sowie das Ausgangssignal der ODER-Schaltung OR1 stellen die Eingangssignale einer UND-Schaltung AND2A dar. Das Ausgangssignal β dieser UND-Schaltung und das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 liegen über die UND-Schaltung AND1 an dem Auslösesignalgenerator 10 an. Die UND-Schaltung AND2A ist so ausgelegt, daß sie ein Ausgangssignal ("H") abgibt, wenn im Ausgangssignal der ODER-Schaltung OR1 eine Anstiegsflanke von "L" nach "H" auftritt, während der monostabile Multivibrator 13 ein "H"-Signal an den anderen Eingang dieser UND-Schaltung anlegt.

Wenn gemäß Darstellung in Fig. 10, linke Spalte, ein Leckstrom fließt, wird das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 "H", wodurch der monostabile Multivibrator 13 zur Erzeugung eines Zeitfensters von beispielsweise 15 ms getriggert wird (Reihe I). Dann wird das Ausgangs signal β der UND-Schaltung AND2A "H" (Reihe J), wenn das Ausgangssignal der ODER-Schal tung OR1 (Reihe D) ansteigt. Daraufhin wird das Ausgangssignal der UND-Schaltung AND1 "H", und das Auslösesignal γ wird ausgegeben (Reihe G). Im Fall eines Blitzstroms wird der monosta bile Multivibrator 13 von dem "H"-Ausgangssignal des zweiten Komparators 9 getriggert, jedoch wird kein Auslösesignal γ ausgegeben, weil das Ausgangssignal der UND-Schaltung AND2A auf "L" bleibt, und zwar wegen des ausbleibenden Anstiegs des Ausgangssignal von der ODER-Schaltung OR1, wie dies in Fig. 10, rechte Spalte, dargestellt ist. Die Verhältnisse im Fall des Auftretens eines schweren Erdstroms sind in Fig. 11 dargestellt. Da in diesem Fall die ODER-Schaltung OR1 einen Impuls abgibt, nachdem der monostabile Multivibrator 13 getriggert wurde, wird das Ausgangssignal β der UND-Schaltung AND2A "H". Deshalb wird auch das Ausgangs signal der UND-Schaltung AND1 "H", und das Auslösesignal γ wird ausgegeben.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Fig. 12 zeigt als Blockschaltbild ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Fehlerstrom-Schutzschal ters gemäß der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der monostabile Multivibrator 13 von einem "H"-Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 getriggert. Eine Polaritätsbeurtei lungsschaltung 24 prüft, ob der erste Komparator 7 abwechselnd positive und negative Impulse abgibt oder nicht. Das Ausgangssignal der Polaritätsbeurteilungsschaltung 24 und das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 13 liegen als Eingangssignale an der UND-Schaltung AND2A an. Das Ausgangssignal β dieser UND-Schaltung und das Ausgangssignal α vom zweiten Komparator 9 liegen über die UND-Schaltung AND1 am Auslösesignalgenerator 10 an. Die UND-Schaltung AND2A ist gleich wie die des vierten Ausführungsbeispiels aufgebaut, nur daß sie auf eine Anstiegsflanke im Ausgangssignal der Polaritätsbeurteilungsschaltung 24 reagiert.

Fig. 13 zeigt die Signalverläufe an den Punkten A-G, I und M. Unter Bezugnahme auf Fig. 13, linke Spalte, sei zunächst der Fall eines relativ kleinen Leckstroms betrachtet. Wenn das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 "H" wird (Reihe F), wird der monostabile Multivi brator 13 getriggert (Reihe I), und das Ausgangssignal der Polaritätsbeurteilungsschaltung 24 (Reihe M) wird in dem Moment "H", wo der erste Komparator 7 abwechselnd ein positives und ein negatives Ausgangssignal abgibt. In der Folge wird das Ausgangssignal β der UND-Schaltung AND2A "H", was zur Ausgabe eines Auslösesignals γ führt (Reihe G).

Wenn dagegen ein Blitzstrom auftritt, wird der monostabile Multivibrator 13 vom "H"-Ausgangs signal α des zweiten Komparators 9 getriggert, das Ausgangssignal der Polaritätsbeurteilungs schaltung 24 wird jedoch nicht "H", da das Ausgangssignal des ersten Komparators 7 gemäß Darstellung in Fig. 13, rechte Spalte, auf der negativen Polarität stehen bleibt (Reihe D). Da somit das Ausgangssignal β der UND-Schaltung AND2A "L" bleibt, wird kein Auslösesignal γ ausgegeben (Reihe G).

Obwohl in Fig. 13 nicht dargestellt, führt ein schwerer Erdstrom der oben definierten Art zu einem Auslösesignal γ, da in diesem Fall abwechselnd positive und negative Ausgangssignale von dem ersten Komparator 7 an die Polaritätsbeurteilungsschaltung 24 ausgegeben werden, nachdem der monostabile Multivibrator 13 getriggert wurde.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Fig. 14 zeigt ein Blockschaltbild eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Fehlerstrom-Schutz schalters gemäß der Erfindung. Fig. 15 ist ein Zeitdiagramm mit zugehörigen Signalverläufen an Punkten A-G, K und N für verschiedene Betriebszustände. Gemäß Darstellung in Fig. 14 erfaßt ein dritter Komparator 25 ein Ausgangssignal des Integrators 8, das kleiner als das von dem zweiten Komparator 9 erfaßbare ist. Der drei Impulse zählende Zähler 14 zählt die von der ODER-Schaltung OR1 ausgegebenen Impulse als Antwort auf das Ausgangssignal des dritten Kompara tors 25. Das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 und das Ausgangssignal des Zählers 14 liegen an der UND-Schaltung AND1 an, deren Ausgang mit dem Eingang des Auslösesignal generators 10 verbunden ist.

Im Fall des relativ kleinen Leckstroms beginnt der Integrator 8 gemäß Darstellung in Fig. 15, linke Spalte, zu arbeiten, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 6 den Schwellenwert S₁ des ersten Komparators 7 übersteigt (Reihen E und F). Wenn das Ausgangssignal des Integrators 8 den Schwellenwert S₄ des dritten Komparators 25 übersteigt (Reihe N), beginnt der Zähler 14 die Ausgangsimpulse der ODER-Schaltung OR1 zu zählen. Das Ausgangssignal β wird mit der Anstiegsflanke des mit (3) numerierten Impulses (Reihe D) "H" (Reihe K). Da das Ausgangssignal α des zweiten Komparators 9 (Reihe F) in diesem Moment "H" ist, wird das Ausgangssignal der UND-Schaltung AND1 "H", und das Auslösesignal γ wird ausgegeben (Reihe G). Wenn dagegen ein Blitzstrom auftritt und der Zähler 14 die Ausgangsimpulse der ODER-Schaltung als Reaktion auf das "H"-Ausgangssignal des dritten Komparators 25 zu zählen beginnt, bleibt das Ausgangssignal β des Zählers 14 auf "L", da dem Zähler 14 nur der erste Impuls (1) eingegeben wird. Daher wird kein Auslösesignal γ ausgegeben.

Obwohl in Fig. 15 nicht gezeigt, führt auch ein schwerer Erdstrom zu einem Auslösesignal γ, da in diesem Fall der Zähler 14 drei Impulse zählen kann.

Wie voranstehend beschrieben, ermöglicht der Fehlerstrom-Schutzschalter der vorliegenden Erfindung die Unterbrechung eines Leckstroms innerhalb der durch die IEC-Norm vorgegebenen 40 ms sowie die Unterbrechung eines wiederholten und kontinuierlichen schweren Erdstroms. Andererseits ermöglicht der Fehlerstrom-Schutzschalter der Erfindung die Vermeidung einer unnötigen Unterbrechung durch einen von einem Blitzschlag verursachten impulsartigen Fehlerstrom.

Claims

1. Fehlerstrom-Schutzschalter, umfassend:
eine erste Detektoreinrichtung zur Erfassung eines Fehlerstroms in Form eines Leck stroms, eines auf einem schweren Erdfehler beruhenden Stroms oder eines von einem Blitzschlag herrührenden Stroms in den Leitungen (2) einer Hauptschaltung, mit
einem Stromwandler (3), durch den die Leitungen (2) der Hauptschaltung geführt sind,
eine Komparatoranordnung (7, OR1) mit einem ersten Komparator (7), die ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Stromwandlers einen ersten Schwellenwert (S₁) übersteigt,
einem Integrator (8) zum Integrieren des Ausgangssignals der Komparatoran ordnung (7, OR1),
einem zweiten Komparator (9), der ein erstes Detektorsignal (α) abgibt, wenn das Ausgangssignals des Integrators (8) einen zweiten Schwellenwert (S₂) über steigt, und
einem Auslösesignalgenerator (10) zur Ausgabe eines Auslösesignals (γ) an eine Auslö sespule (11) in Abhängigkeit von dem ersten Detektorsignal (α),
gekennzeichnet durch
eine mit der ersten Detektoreinrichtung parallel geschaltete zweite Detektoreinrichtung mit einem dritten Schwellenwert (S₃), der höher ist als der erste Schwellenwert (S₁) welche ein zweites Detektorsignal (β) abgibt, wenn das Ausgangssignal des Stromwandlers (3) wiederholt den dritten Schwellenwert übersteigt, wobei des zweite Detektorsignal (β) das Vorliegen eines Leckstroms oder eines durch einen schweren Erdfehler verursachten Fehlerstroms anzeigt,
wobei der Auslösesignalgenerator (10) das Auslösesignal (γ) in Abhängigkeit von dem ersten Detektorsignal (α) und dem zweiten Detektorsignal (β) an die Auslösespule (11) abgibt.

2. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoreinrichtung umfaßt:
eine weitere Komparatoranordnung (12, OR2) mit einem dritten Komparator (12), die ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Stromwandlers (3) den dritten Schwellenwert (S₃) übersteigt,
einen monostabilen Multivibrator (13), der von dem Ausgangssignal der weiteren Komparatoranordnung (12, OR2) zur Ausgabe eines Multivibratorsignals vorgegebener Dauer triggerbar ist,
einen Zähler (14) zum Zählen der von der Komparatoranordnung (7, OR1) während der Dauer des Multivibratorsignals ausgegebenen Impulse und zur Ausgabe eines Zählsignals, wenn er eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen gezählt hat,
eine ODER-Schaltung (OR3) mit einem mit dem Zählsignal beaufschlagten Eingang, einem mit dem invertierten Multivibratorsignal beaufschlagten Eingang und einem das zweite Detektorsignal (β) abgebenden Ausgang, und
eine UND-Schaltung (AND1) mit einem mit dem ersten Detektorsignal (α) beaufschlag ten Eingang und einem mit dem zweiten Detektorsignal (β) beaufschlagten Eingang, deren Ausgang mit dem Auslösesignalgenerator (10) verbundenen ist.

3. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoreinrichtung umfaßt:
eine weitere Komparatoranordnung (12, OR2) mit einem dritten Komparator (12), die ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Stromwandlers (3) den dritten Schwellenwert (S₃) übersteigt,
einen monostabilen Multivibrator (13), der von dem Ausgangssignal der weiteren Komparatoranordnung (12, OR2) zur Ausgabe eines Multivibratorsignals vorgegebener Dauer triggerbar ist,
einen Zähler (14) zum Zählen der von der Komparatoranordnung (7, OR1) während der Dauer des Multivibratorsignals ausgegebenen Impulse und zur Ausgabe eines Zählsignals, wenn er eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen gezählt hat,
ein RS-Flipflop (16), dessen invertiertes Ausgangssignal das zweite Detektorsignal (β) darstellt und das einen Rücksetzeingang (R), der mit der ODER-Verknüpfung des Zählsignals und des invertierten ersten Detektorsignals beaufschlagt ist, sowie einen Setzeingang (S), der mit der UND-Verknüpfung des Multivibratorsignals und des ersten Detektorsignals (α) beaufschlagt ist, aufweist, und
eine UND-Schaltung (AND1) mit einem mit dem ersten Detektorsignal (α) beaufschlag ten Eingang und einem mit dem zweiten Detektorsignal (β) beaufschlagten Eingang, deren Ausgang mit dem Auslösesignalgenerator (10) verbundenen ist.

4. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoreinrichtung umfaßt:
eine weitere Komparatoranordnung (12, OR2) mit einem dritten Komparator (12), die ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Stromwandlers (3) den dritten Schwellenwert (S₃) übersteigt,
einen monostabilen Multivibrator (13), der von dem Ausgangssignal der weiteren Komparatoranordnung (12, OR2) zur Ausgabe eines Multivibratorsignals vorgegebener Dauer triggerbar ist, und
eine Zeitkonstanten-Änderungsschaltung (19) zur Verlängerung der Zeitkonstante des Integrators (8) während der Dauer des Multivibratorsignals.

5. Fehlerstrom-Schutzschalter, umfassend:
eine erste Detektoreinrichtung zur Erfassung eines Fehlerstroms in Form eines Leck stroms, eines auf einem schweren Erdfehler beruhenden Stroms oder eines von einem Blitzschlag herrührenden Stroms in den Leitungen (2) einer Hauptschaltung, mit einem Stromwandler (3), durch den die Leitungen (2) der Hauptschaltung geführt sind,
einer Komparatoranordnung (7, OR1) mit einem ersten Komparator (7), die ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Stromwandlers einen ersten Schwellenwert (S₁) übersteigt,
einem Integrator (8) zum Integrieren des Ausgangssignals der Komparatoran ordnung (7, OR1),
einem zweiten Komparator (9), der ein erstes Detektorsignal (α) abgibt, wenn das Ausgangssignals des Integrators (8) einen zweiten Schwellenwert (S₂) über steigt, und
einem Auslösesignalgenerator (10) zur Ausgabe eines Auslösesignals (γ) an eine Auslö sespule (11) in Abhängigkeit von dem ersten Detektorsignal (α),
gekennzeichnet durch
eine zur ersten Detektoreinrichtung parallel geschaltete zweite Detektoreinrichtung zur Erfassung einer von der Komparatoranordnung (7, OR1) innerhalb einer auf dem ersten Detek torsignal (α) basierenden Zeitspanne ausgegebenen vorbestimmten Anzahl von Impulsen und zur Ausgabe eines zweiten Detektorsignals (β), das das Vorliegen eines Leckstroms oder eines durch einen schweren Erdfehler verursachten Fehlerstroms anzeigt,
wobei der Auslösesignalgenerator (10) das Auslösesignal (γ) in Abhängigkeit von dem ersten Detektorsignal (α) und dem zweiten Detektorsignal (β) an die Auslösespule (11) abgibt.

6. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoreinrichtung umfaßt:
einen von dem ersten Detektorsignal (α) triggerbaren monostabilen Multivibrator (13),
eine erste UND-Schaltung (AND2A) mit einem mit dem Ausgangssignal des monostabi len Multivibrators (13) beaufschlagten Eingang, einem mit dem Ausgangssignal der Komparator anordnung (7, OR1) beaufschlagten flankengesteuerten Eingang und einem das zweite Detektor signal (β) ausgebenden Ausgang, und
eine zweite UND-Schaltung (AND1) mit einem mit dem ersten Detektorsignal (α) beauf schlagten Eingang und einem mit dem zweiten Detektorsignal (β) beaufschlagten Eingang, deren Ausgang mit dem Auslösesignalgenerator (10) verbunden ist.

7. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoreinrichtung umfaßt:
einen monostabilen Multivibrator (13), der von dem ersten Detektorsignal (α) zur Ausgabe eines Multivibratorsignals vorbestimmter Dauer triggerbar ist,
eine Polaritätsbeurteilungsschaltung (24), die ein Ausgangssignal abgibt, wenn während der Dauer des Multivibratorsignals vom ersten Komparator (7) abwechselnd positive und negative Impulse ausgegeben werden,
eine erste UND-Schaltung (AND2A) mit einem mit dem Ausgangssignal der Polaritäts beurteilungsschaltung (24) beaufschlagten flankengesteuerten Eingang, einem mit dem Multivi bratorsignal beaufschlagten Eingang und einem das zweite Detektorsignal (β) ausgebenden Ausgang, und
eine zweite UND-Schaltung mit einem mit dem ersten Detektorsignal (α) beaufschlagten Eingang und einem mit dem zweiten Detektorsignal (β) beaufschlagten Eingang, deren Ausgang mit dem Auslösesignalgenerator (10) verbundenen ist.

8. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoreinrichtung umfaßt:
einen dritten Komparator (25) zur Ausgabe eines Ausgangssignals, wenn das Ausgangssignal des Integrators (8) einen dritten Schwellenwert (S₄) übersteigt, der kleiner ist als der zweite Schwellenwert (S₂),
einen Zähler (14), der nach Auslösung durch das Ausgangssignal des dritten Kompara tors (25) vom der Komparatoranordnung (7, OR1) ausgegebene Impulse zählt und ein Zählsignal ausgibt, wenn er eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen gezählt hat, wobei das Zählsignal das zweite Detektorsignal (β) darstellt, und
eine UND-Schaltung (AND1) mit einem mit dem ersten Detektorsignal (α) beaufschlag ten Eingang und einem mit dem zweiten Detektorsignal (β) beaufschlagten Eingang, deren Ausgang mit dem Auslösesignalgenerator (10) verbunden ist.

9. Fehlerstrom-Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatoranordnung (7, OR1) den ersten Komparator (7) und eine ihm nachgeschaltete ODER-Schaltung (OR1) enthält, daß der erste Komparator ein positives Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Stromwandlers (3) einen positiven Schwellenwert in positiver übersteigt, und ein negatives Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Stromwandlers (3) einen negativen Schwellenwert in negative Richtung übersteigt, wobei die Absolutwerte des positiven und des negativen Schwellenwerts im wesentlichen gleich (S₁) sind, und daß die ODER-Schaltung (OR1) das positive und das negative Ausgangssignal des ersten Komparators zu einem unipolaren Ausgangssignal zusammenführt.

10. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 9 und einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Komparatoranordnung (12, OR2), den dritten Komparator (12) und eine ihm nachgeschaltete ODER-Schaltung (OR2) enthält, daß der dritte Komparator (12) ein positives Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Stromwandlers (3) einen positiven Schwellenwert in positiver übersteigt, und ein negatives Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Stromwandlers (3) einen negativen Schwellenwert in negative Richtung übersteigt, wobei die Absolutwerte des positiven und des negativen Schwellenwerts im wesentlichen gleich (S₃) sind, und daß die ODER-Schaltung (OR2) das positive und das negative Ausgangssignal des dritten Komparators (12) zu einem unipolaren Ausgangssignal zusammenführt.