DE19803684A1 - Zeitverzögerte Differenzstromschutzeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine zeitverzögerte Differenz­ stromschutzeinrichtung, nachstehend DI-Einrichtung genannt, mit einer Transduktorschaltung, deren Auswerteschaltung zwi­ schen der Sekundärwicklung und einem komplexen, überwiegend kapazitiven Widerstand, Meßwiderstand genannt, angeordnet ist, der mit der Sekundärwicklung einen Schwingkreis, im ein­ zelnen nach Gattungsbegriff von Anspruch 1. Der Meßwiderstand wirkt auf eine Auswerteeinrichtung ein, die mit Auswerte­ schaltung mit Gleichrichterschaltung, zwei Zeitverzögerungs­ schaltungen und Schwellwertschalter arbeitet. Eine derartige bekannte DI-Einrichtung (DE 34 29 381 C) arbeitet mit Inte­ grierglied und Schwellwertschalter und gegebenenfalls einer Zenerdiode zum Begrenzen der Impulshöhe der im Sekundärkreis induzierten Spannungsimpulse. Die DI-Einrichtung dort ist da­ für entwickelt, erhöhte Störunempfindlichkeit zu bewirken. Die Grundschaltung einer derartigen DI-Einrichtung ist in EP 0 167 079 B1 beschrieben.

Hier wird von einer DI-Einrichtung ausgegangen (DE: 19 755 587.7), bei der zwischen der Gleichrichterschal­ tung der Auswerteschaltung und einem Schwellwertschalter eine erste Zeitverzögerungsschaltung darauf abgestimmt ist, ein gewünschtes Auslöseverhalten zu erzielen. Die dem Schwell­ wertschalter nachgeschaltete zweite Verzögerungsschaltung ist darauf abgestimmt, daß die Spannung in ihr langsamer abklingt als in der ersten Zeitverzögerungsschaltung. Hierdurch er­ zielt man, daß beim Abschalten der Netzspannung oder entspre­ chend beim Ausbleiben der Netzspannung eine Auslösung unter­ bleibt, die als Fehlauslösung zu verstehen wäre. Die erste Zeitverzögerungsschaltung erlaubt in Verbindung mit dem Schwellwertschalter von Vorschriften geforderte Zeitfenster, in denen eine Auslösung unterbleiben soll, zu erfüllen. Beim Abschalten der Netzspannung geht Gleichspannung der Bordnetz­ versorgung für die Elektronik und damit die Referenzspannung des Schwellwertschalters schneller zurück als die Eingangs­ spannung des Schwellwertschalters, die wegen eines Energie­ speichereffektes der ersten Zeitverzögerungsschaltung eine längere Abklingzeit der Spannung aufweist als die Versor­ gungsspannung beim Abschalten. Die zweite Zeitverzögerungs­ schaltung verhindert, daß der Schwellwertschalter nach Ab­ schalten der Netzspannung über seine Schaltbedingungen so zu­ sagen hinwegläuft. Durch die zweite Zeitverzögerungsschaltung werden also Fehlauslösungen vermieden.

Bei einer zeitverzögerten DI-Einrichtung erschweren die Tem­ peraturabhängigkeit der Bauelemente und des Summenstromwand­ lers, die Zeittore zu passieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvor geschil­ derte zeitverzögerte DI-Einrichtung so weiterzuentwickeln, daß eine Temperaturabhängigkeit des Auslöseverhaltens vermie­ den wird.

Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt durch eine DI-Ein­ richtung nach Anspruch 1. Hiernach ist der Schwellwert­ schalter in seiner Referenzspannung am Steuereingang an den Temperaturgang der eingangsseitig angeordneten Bauteile der­ art gleichsinnig angepaßt, daß ein Temperaturgang sich nicht auswirken kann. Temperaturabhängige Auslösefehlerströme haben auf das Auslöseverhalten hierbei keinen Einfluß. Eine derar­ tige DI-Einrichtung arbeitet auslösezeitverzögert in ge­ wünschter Weise und eignet sich außer für übliche Wechselfeh­ lerströme auch zum Auslösen bei pulsierenden Fehlerströmen und bei glatten Gleichfehlerströmen. Es liegt also allstrom­ sensitives Verhalten vor und dennoch bleibt die Temperaturab­ hängigkeit infolge des Temperaturgangs der Bauelemente, Sum­ menstromwandler, Bauteile der ersten Zeitverzögerungsschal­ tung, auf das Auslöseverhalten ohne Einfluß.

Vorteilhaft arbeitet der Schwellwertschalter mit einem Opera­ tionsverstärker, an dessen Steuereingang temperaturabhängige Bauelemente wie Widerstände, Halbleiter oder integrierte Schaltungsteile derart angeschlossen sind, daß die Referenz­ spannung geeignet ansteigt. Dem Schwellwertschalter ist die zweite Zeitverzögerungsschaltung hierbei nachgeschaltet. Ins­ besondere kann am Operationsverstärker an seinem Steuerein­ gang ein erstes temperaturabhängiges Bauelement in Reihe mit einem ersten Widerstand angeschlossen sein und gegen Bezugs­ masse ein zweiter Widerstand, dem ein zweites temperaturab­ hängiges Bauelement nachgeschaltet sein kann. Die beiden Wi­ derstände eignen sich für eine Grobeinstellung und das erste temperaturabhängige Bauelement sowie gegebenenfalls das zwei­ te temperaturabhängige Bauelement sind daraufhin ausgewählt und eingestellt, daß die Spannung am Steuereingang gleichsin­ nig mit dem Temperaturgang aller vorgeordneten Bauelemente verläuft. Bei den derzeit üblichen Bauelementen ist also eine mit steigender Temperatur steigende Referenzspannung erfor­ derlich. Allgemein gesprochen: ein gleichsinnig verlaufendes Steuersignal. Es wird hier davon ausgegangen, daß übliche Wi­ derstände ein geringes Temperaturverhalten aufweisen. Ver­ ständlicherweise kann man Widerstände mit starkem Temperatur­ gang auch als temperaturabhängiges Bauelement einsetzen.

Nach einer Weiterbildung arbeitet der Schwellwertschalter mit einem Operationsverstärker, an dessen Steuereingang ein er­ stes temperaturabhängiges Bauelement in Reihe mit einem er­ sten Widerstand angeschlossen ist und gegen Bezugsmasse zu­ mindest ein zweiter Widerstand, dem ein zweites temperaturab­ hängiges Bauelement nachgeschaltet sein kann. Der Reihen­ schaltung aus den Widerständen ist hierbei jedoch ein Konden­ sator parallel geschaltet, der danach ausgewählt ist, die Funktion der zweiten Zeitverzögerungsschaltung zu erfüllen. Es erübrigt sich dann eine zweite Zeitverzögerungsschaltung, so daß am Ausgang eines derartigen Schwellwertschalters di­ rekt oder über eine Verstärkerschaltung eine Auslöseeinrich­ tung beaufschlagt werden kann, die mit einem üblichen Schalt­ schloß in Wirkverbindung steht, um Schaltkontakte in zu über­ wachenden Leitungen zu öffnen.

Das erste temperaturabhängige Bauelement, das in vielen Fäl­ len das einzige temperaturabhängige Bauelement im Schwell­ wertschalter sein kann, läßt sich durch eine Reihenschaltung von Dioden bilden. In der Praxis kann die Reihenschaltung aus zwei Dioden bestehen.

Die Erfindung soll nun anhand von in der Zeichnung grob sche­ matisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

In Fig. 1 ist der Aufbau einer DI-Einrichtung veranschau­ licht.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für den Schwellwert­ schalter der Auswerteeinrichtung einer DI-Ein­ richtung wiedergegeben.

In Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Schwellwertschalter dargestellt, der auch die Funk­ tion der zweiten Zeitverzögerungsschaltung über­ nimmt.

In Fig. 4 ist ein allgemeineres Ausführungsbeispiel für einen Schwellwertschalter nach Art des in Fig. 3 wiederge­ gebenen veranschaulicht.

Die DI-Einrichtung nach Fig. 1 arbeitet mit einer Transduktor­ schaltung, deren Auswerteschaltung 11 zwischen der Sekundär­ wicklung 6 und einem komplexen, überwiegend kapazitiven Wi­ derstand, Meßwiderstand 9 genannt, eingeschaltet ist. Der Meßwiderstand ist bei 10 geerdet an Bezugsmasse der Schaltung gelegt. Ein Rechteckgenerator 5 steht über einen Verstärker 3 mit einer ersten Anschlußklemme der Sekundärwicklung 6 in Verbindung. Im Ausführungsbeispiel ist der Verstärker 3 Teil einer Symmetriereinrichtung 1 mit einem Frequenzteiler 2 und einem Kondensator 4. Der Frequenzgenerator 5 ist auf die dop­ pelte Frequenz einer gedachten Grundfrequenz eingestellt und die Symmetriereinrichtung teilt die Frequenz herunter und verstärkt sie, wobei der Trennkondensator 4 für galvanische Trennung sorgt. Die Symmetriereinrichtung ist im einzelnen in EP 0 440 835 B1 beschrieben. Eine einfache Frequenzteilung genügt im Prinzip für eine Symmetrierung hinsichtlich der Nulldurchgänge der Signalkurve.

Im Ausführungsbeispiel ist der Meßwiderstand 9 mittelbar an der Sekundärwicklung 6 angeschlossen, indem ein Dämpfungswi­ derstand 8 zwischengeschaltet ist. Die Sekundärwicklung 6 mit ihrer Induktivität und der Meßwiderstand 9 mit seiner Kapazi­ tät bilden einen Schwingkreis. Er wirkt über die Auswerte­ schaltung 11 auf eine Auslöseeinrichtung 12 ein. Die Auswer­ teschaltung 11 arbeitet mit einer Gleichrichterschaltung 17 und einem Schwellwertschalter 19, zwischen denen eine erste Zeitverzögerungsschaltung 18 darauf abgestimmt ist, ein ge­ wünschtes Auslöseverhalten zu erzielen. Dem Schwellwertschal­ ter 19 ist eine zweite Zeitverzögerungsschaltung 20 nachge­ schaltet, die darauf abgestimmt ist, daß die Spannung in ihr langsamer abklingt als in der ersten Zeitverzögerungsschal­ tung 18 derart, daß beim Abschalten der Netzspannung eine Auslösung durch die Auslöseeinrichtung 12 unterbleibt. Es findet daher über die Wirkverbindung 14 von der Auslöseein­ richtung 12 über das Schaltschloß 13 kein Eingriff auf die Schaltkontakte 15 in zu überwachenden Leitungen statt. Pri­ märwicklungen 7 und die Sekundärwicklung 6 sind Teil eines üblichen Summenstromwandlers.

Die Auswerteschaltung weist im Ausführungsbeispiel an ihrem Ausgang einen Verstärker 21 auf, der über die Auslöseleitung 22 die Auslöseeinrichtung 12 beaufschlagt. Die Auslöseschal­ tung 11 ist derart auslöseverzögert, daß glatter Gleichfeh­ lerstrom eine fehlerstromabhängige Spannung erzeugt. Diese Abhängigkeit der Spannung vom Fehlerstrom ist am ausgeprägte­ sten zwischen dem Gleichrichter 17 und dem Schwellwertschal­ ter 19. Bei kleinem Fehlerstrom wird am Gleichrichter 17 eine relativ kleine Spannung erzeugt, d. h. die Spannung, die ein durchschnittlicher Fehlerstrom erzeugt. Diese wird von der ersten Zeitverzögerungsschaltung 18 verhältnismäßig lang ver­ zögert, bis der Schwellwertschalter 19 beaufschlagt wird. Hö­ herer Fehlerstrom verursacht höhere Spannung und kürzere Aus­ lösezeitverzögerung. Die von den Vorschriften geforderten Auslösezeiten bzw. Zeitfenster für Nichtauslösung können durch geeignete Dimensionierung erzielt werden. Die nachge­ schaltete zweite Zeitverzögerungsschaltung 20 verhindert, daß bei Fehlerströmen kleiner als dem Auslösestrom nach Vor­ schrift die in der ersten Verzögerungsschaltung 18 gespei­ cherte Energie beim Abschalten, also beim Ausfallen der Bord­ netzspannung, die gespeicherte Energie zu einer Fehlauslösung führen kann. Beim Abschalten der Netzspannung geht die Gleichspannung der Bordnetzversorgung durch den Bordnetzgene­ rator 23 nämlich schneller zurück als dessen Eingangsspan­ nung, da diese wegen der Wirkung als Energiespeicher der er­ sten Zeitverzögerungsschaltung längere Zeit zum Absinken bzw. Ausklingen benötigt als die Zeit bis zum Absinken der Refe­ renzspannung.

Im Ausführungsbeispiel wirkt auf die Auslöseeinrichtung 12 auch eine Fehlerstromschutzeinrichtung 16, nachstehend FI- Einrichtung genannt, parallel ein. Durch eine derartige An­ ordnung können auch Sondervorschriften erfüllt werden, wonach in Installationen mitunter allstromsensitive, auslösezeitver­ zögerte FI-Einrichtungen selektiv sein sollen, kurzzeitverzö­ gert oder auch entsprechend der "G-Type" der österreichischen Vorschriften. Weitere Vorschriften sind DIN VDE 0664, IEC 1008, EN 61008. Hierdurch werden mitunter verhältnismäßig lange Zeittore festgelegt, in denen eine Schutzeinrichtung nicht auslösen darf. Zwar sind auslösezeitverzögerte FI-Ein­ richtungen für Wechsel- und Pulsfehlerströme seit längerem auf dem Markt, für DI-Einrichtungen, die sich als Zusatz für FI-Einrichtungen eignen, ist eine zufriedenstellende Lösung in der eingangs genannten älteren Anmeldung (DE: 19 755 857.7) beschrieben. Die Gesamtschaltung wirkt bei entsprechender Abstimmung so, daß die DI-Einrichtung für sämtliche Fehlerstromarten die von der jeweiligen Vorschrift geforderten Bedingungen erfüllt und die FI-Einrichtung 16 ei­ nen netzspannungsunabhängigen Grundschutz bei Wechselfehler­ strömen und in geeigneter Ausführung auch bei pulsierenden Fehlerströmen sicherstellt.

Der Schwellwertschalter 19 ist in seiner Referenzspannung an seinem Steuereingang 30 an den Temperaturgang der eingangs­ seitig angeordneten Bauteile, wie Summenstromwandler, Bautei­ le der Zeitverzögerungsschaltung, derartig gleichsinnig ange­ paßt, daß ein Temperaturgang sich nicht auswirken kann.

Der Schwellwertschalter 19 arbeitet im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit einem Operationsverstärker 27, an dessen Steu­ ereingang 30 temperaturabhängige Bauelemente, wie Widerstän­ de, Halbleiter oder integrierte Schaltungsteile, derart ange­ schlossen sind, daß die Referenzspannung bei steigender Umge­ bungstemperatur geeignet ansteigt. Dem Schwellwertschalter ist hierbei die zweite Zeitverzögerungsschaltung 20 nachge­ schaltet. Vorzugsweise und im einzelnen ist am Operationsver­ stärker 27 an seinem Steuereingang 30 ein erstes temperatur­ abhängiges Bauelement 24 in Reihe mit einem ersten Eingangs­ widerstand 25, R1, angeschlossen. Gegen Bezugsmasse 10 ist ein zweiter Eingangswiderstand 26, R2, angeschlossen, dem ein zweites temperaturabhängiges Bauelement 28 im Ausführungsbei­ spiel nachgeschaltet ist. Die Eingangswiderstände 25, 26 sor­ gen für eine Grobeinstellung und die temperaturabhängigen Bauelemente 24 und 28 für eine temperaturabhängige Feinein­ stellung der Referenzspannung am Steuereingang 30 des Opera­ tionsverstärkers 27.

In Weiterbildung nach den Fig. 3 und 4 übernimmt der Schwellwertschalter 19 mit einem geeignet eingeschalteten Kondensator 33 die Zeitverzögerung der zweiten Zeitverzöge­ rungsschaltung, die sich dadurch erübrigt. Dabei arbeitet der Schwellwertschalter 19 mit einem Operationsverstärker 27, an dessen Steuereingang 30 ein erstes temperaturabhängiges Bau­ element 24 in Reihe mit einem ersten Eingangswiderstand 25 angeschlossen ist und gegen Bezugsmasse zumindest ein zweiter Eingangswiderstand 26, dem ein zweites temperaturabhängiges Bauelement 28 nachgeschaltet sein kann. Hierbei ist zur Rei­ henschaltung aus den Eingangswiderständen 25, 26 ein Konden­ sator 33 parallelgeschaltet, der danach ausgewählt ist, die Funktion der zweiten Zeitverzögerungsschaltung 20 zu erfüllen und somit zu übernehmen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist das erste temperaturab­ hängige Bauelement 24 durch eine Reihenschaltung von Dioden 31, 32 gebildet. Im Ausführungsbeispiel besteht die Reihen­ schaltung aus zwei Dioden 31 und 32.

Bei steigender Temperatur wird die Referenzspannung am Ein­ gang 30 des Operationsverstärkers 27 in gleicher Weise höher wie die Spannung des vom Summenstromwandler bis zum Schwell­ wertschalter gelieferten Signals. Das Auslöseverhalten wird dadurch vom Temperaturgang nicht mehr beeinflußt.

Claims (6)

1. Zeitverzögerte Differenzstromschutzeinrichtung, nachste­ hend DI-Einrichtung genannt, mit einer Transduktorschaltung, deren Auswerteschaltung (11) zwischen der Sekundärwick­ lung (6) und einem komplexen, überwiegend kapazitiven Wider­ stand (9), Meßwiderstand genannt, der mit der Sekundärwick­ lung (6) einen Schwingkreis bildet, angeordnet ist und auf eine Auslöseeinrichtung (12) einwirkt, wobei die Auswerte­ schaltung (11) mit Gleichrichterschaltung, zwei Zeitverzöge­ rungsschaltungen und Schwellwertschalter arbeitet, wobei zwi­ schen Gleichrichterschaltung (17) und Schwellwertschalter (19) eine erste Zeitverzögerungsschaltung (18) darauf abge­ stimmt ist, ein gewünschtes Auslöseverhalten zu erzielen und wobei ab dem Schwellwertschalter (19) eine zweite Zeitverzö­ gerungsschaltung vorgesehen ist, die darauf abgestimmt ist, daß die Spannung langsamer abklingt als in der ersten Zeit­ verzögerungsschaltung (18), derart, daß beim Abschalten der Netzspannung eine Auslösung unterbleibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter in seiner Referenzspannung am Steuereingang (30) an den Temperaturgang der eingangsseitig angeordneten Bauteile derart gleichsinnig angepaßt ist, daß der Temperaturgang sich nicht auswirken kann.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (19) mit einem Operationsverstär­ ker (27) arbeitet, an dessen Steuereingang (30) temperaturab­ hängige Bauelemente, wie Widerstände, Halbleiter oder inte­ grierte Schaltungsteile, derart angeschlossen sind, daß die Referenzspannung geeignet ansteigt und daß dem Schwellwert­ schalter die zweite Zeitverzögerungsschaltung (20) nachge­ schaltet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Operationsverstärker (27) an seinem Steuereingang (30) ein erstes temperaturabhängiges Bauelement (24) in Reihe mit einem ersten Eingangswiderstand (25) angeschlossen ist und gegen Bezugsmasse (10) ein zweiter Eingangswiderstand (26), dem ein zweites temperaturabhängiges Bauelement (28) nachge­ schaltet sein kann.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (19) mit einem Operationsverstär­ ker (27) arbeitet, an dessen Steuereingang (30) ein erstes temperaturabhängiges Bauelement (24) in Reihe mit einem er­ sten Eingangswiderstand (25) angeschlossen ist und gegen Be­ zugsmasse (10) ein zweiter Eingangswiderstand (26), dem ein zweites temperaturabhängiges Bauelement (28) nachgeschaltet sein kann, wobei zur Reihenschaltung aus den Eingangswider­ ständen (25, 26) ein Kondensator (33) parallelgeschaltet ist, der danach ausgewählt ist, die Funktion der zweiten Zeitver­ zögerungsschaltung (20) zu übernehmen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste temperaturabhängige Bauelement (24) durch eine Reihenschaltung von Dioden (31, 32) gebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung von Dioden aus zwei Dioden (31, 32) besteht.