DE19822515A1 - Abschirmung für Summenstrom-Wandleranordnung für Fehlerstrom-Schutzschalter - Google Patents

Abstract

Summenstrom-Wandleranordnung für insbesondere Fehlerstrom-Schutzschalter mit verbesserter Abschirmung (148) gegen insbesondere Dipolanteile des magnetischen Wechselfluß-Feldes der Primärstromleitung. DOLLAR A Ausführung der Abschirmung aus elektrisch hochohmigem Material oder aus Material mit bemessener Dicke als mehrschalige oder geblechte Abschirmung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Summenstrom- Wandleranordnung, die zur Erfassung von Differenzströmen, insbesondere geeignet für Fehlerstromschalter, zu verwenden und in der eine Abschirmung zum Zwecke der Verringerung von Fehlfunktionen dieser Anordnung vorgesehen ist.

Summenstrom-Wandleranordnungen für insbesondere Fehlerstrom­ schutzschalter arbeiten nach dem Induktionsprinzip. Solche Anordnungen enthalten einen hochpermeablen/ferromagnetischen Ringkern mit einer darauf befindlichen (Sekundär-)Wicklung. Die Primär-Stromleitung (Hin- und Rück-Leiter), für die der Summenstrom zu überwachen ist, ist durch das Innere dieses Ringkernes geführt. Ein in der Umgebung der Stromleitung im Ringkernbereich auftretendes resultierendes magnetisches Wechsel-Feld kann mittels der in der Wicklung des Ringkerns induzierten elektrischen Spannung detektiert werden. Ein sol­ cher Magnetfluß tritt dann auf, wenn im Hin-Leiter und im Rück-Leiter der durch das Innere des Ringkerns geführten Stromleitung unterschiedlich große Ströme fließen. Etwas Der­ artiges tritt auf, wenn ein Fehlerstrom vorliegt.

Für Fehlerstrom-Schutzschalter wird eine hohe Zuverlässigkeit gefordert und ein solcher Schalter muß bereits sehr geringe Differenzen zwischen den Stromwerten für Hin-Leiter und Rück- Leiter erkennbar machen. Beim Überschreiten einer vorgegebe­ nen Schwelle einer auftretenden Differenz dieser Ströme muß der Schalter zuverlässig auslösen. Andererseits soll vermie­ den sein, daß ein derartiger Schalter auch dann auslöst, wenn eine solche Stromdifferenz gar nicht vorliegt und die aufge­ tretene Induktionsspannung an der Sekundärwicklung auf ir­ gendwelchen Störeffekten beruht. Für derartige Störeffekte gibt es eine ganze Reihe verschiedener Gründe, so z. B. Bau­ teile- und Montagetoleranzen, inhomogene Materialeigenschaf­ ten des Ringkerns, auftretende Wirbelströme, Sättigungser­ scheinungen im Ringkern und dgl. mehr. Allein schon der einen Dipol bildende axiale Versatz der beiden Leiter der Strom­ leitung relativ zum Ringkern erzeugt eine erhebliche resul­ tierende Spannung an der Sekundärwicklung, obwohl der bestim­ mungsgemäß zu detektierende Effekt eines Fehlerstroms über­ haupt nicht vorliegt.

Aus "Bulletin des Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins und des Verbandes Schweizerischer Elektrizitätswerke", Band 70 (1979), Nr. 5, Seiten 213-218 und aus der DE-C-42 15 900 sind Summenstrom-Wandleranordnungen des einschlägigen Standes der Technik bekannt. In der DE-C-42 15 900 ist vorgesehen, Hin-Leiter und Rück-Leiter der Stromleitung durch mehrfach symmetrische Aufteilung hinsichtlich einer Dipol-Wirkung auf den Ringkern zu egalisieren. Wie in der DE-A 196 53 552.2 (GR 96 P 2668) beschrieben, besteht eine weitere Lösung die­ ses Problems darin, vorhandene Anisotropie(n) im Ringkern (der Sekundärspule) und/oder Windungsanzahldichte-Inhomogeni­ tät(en) der Sekundärwicklung fehlerkorrigierend zu positio­ nieren, d. h. einen an sich unerwünschten Unsymmetrie-Effekt zur Fehlerbeseitigung zu nutzen.

Eine andere Lösung zur Behebung des bekannten Mangels ist die, eine gezielte magnetische Abschirmung des Ringkerns und seiner Sekundärwicklung vorzunehmen und diese Abschirmung mit einem Schlitz, ggf. zweifach geschlitzt, auszuführen. Eine derartige Lösung ist in der Patentanmeldung 197 10 742.7 (GR 97 P 1341) u. a. beschrieben. Diese geschlitzte magneti­ sche Abschirmung des Ringkerns gegenüber dem Dipolfeld ist als ein Mittel vorgesehen zur Reduzierung desjenigen anson­ sten im Ringkern auftretenden Anteils magnetischen Flusses, der für die Funktion der Summenstrom-Wandleranordnung nicht benötigt wird. Die Wirksamkeit einer solchen Abschirmung kann im übrigen durch einen sogenannten Abschirmfaktor angegeben werden. Der Abschirmfaktor gibt das Verhältnis des magneti­ schen Flusses im Ringkern ohne Abschirmung zum magnetischen Fluß im Ringkern mit Abschirmung an. Magnetostatisch gilt die Regel, daß je dicker die Abschirmung ist, man einen entspre­ chend größeren Abschirmfaktor erzielt. Für ein dynamisches Prinzip jedoch, also im Falle eines Wechselstroms in der Stromleitung, gilt diese Regel so nicht mehr, wie dies durch Simulationsrechnungen auch bestätigt wurde. Es wurde im Rah­ men der Erfindung festgestellt, daß mit einem Auftreten von Wirbelströmen in einer magnetischen Abschirmung eine erheb­ liche Verminderung des Abschirmfaktors einhergehen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Maßnahmen anzuge­ ben, mit denen für den Wechselstromfall mindestens eine Mini­ mierung desjenigen Effekts zu erzielen ist, der zu wie voran­ stehend beschriebenen Mängeln einer solchen Summenstrom- Wandleranordnung, insbesondere zu fehlerhaften Schutzschal­ ter-Auslösungen führt. Dies soll mit der Erfindung insbeson­ dere für Fehlerstromschalter für auch höhere Nennströme (etwa größer als 63 A.) erreichbar sein.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und in Weiterbildung mit denen der weiteren Patentansprüche gelöst.

Dem Lösungsprinzip der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Effektivität der Abschirmung des Ringkerns, insbesondere den Abschirmfaktor hinsichtlich des auftretenden Dipolfeldes, für den Wechselstromfall wesentlich zu erhöhen.

Das Lösungsprinzip der Erfindung ist, die Schwächung der Ab­ schirmwirkung durch die Wirbelströme auszuschalten oder we­ nigstens zu minimieren, sei es dadurch, daß jegliche Wirbel­ ströme in der Abschirmung verhindert oder wenigstens mini­ miert werden, oder dadurch, daß nur solche Wirbelströme in der Abschirmung zugelassen/begünstigt werden, die eine Schwä­ chung des Dipolfeldes im Ringkern bewirken und damit die Wir­ kung der Abschirmung erhöhen.

Zur erstgenannten Verhinderung/Minimierung von in der Ab­ schirmung induzierten Wirbelströmen ist für eine (der Bauart nach an sich auch bekannte) Abschirmung des Ringkerns und seiner Wicklung vorgesehen, einen Werkstoff zu verwenden, der gegenüber der üblichen, zur Abschirmung magnetischer Felder verwendeten Werkstoffe stark verminderte elektrische Leitfä­ higkeit aufweist. Ein solcher Werkstoff ist z. B. ein (Ferrit)-Sinterwerkstoff, wie er auch für z. B. Topfkerne von Spulen und dgl. verwendet wird.

Zur Realisierung der voranstehend letztgenannten Variante des Prinzips der Erfindung, nämlich bestimmte Wirbelströme in der Abschirmung zu begünstigen, ist vorgesehen, die Abschirmung mit ineinander angeordnet mehreren Wänden (mehrschalig) aus­ zubilden, deren einzelne Schalen elektrisch voneinander iso­ liert sind. Eine alternative erfindungsgemäße Ausbildung dazu ist, die Abschirmung erfindungsgemäß als in axialer und/oder radialer Richtung geblechter Aufbau mit elektrischer Isolati­ onswirkung zwischen den jeweils aufeinanderliegenden Blechen auszuführen. Dabei ist für die Dicke der jeweiligen Schalen der Wand der Abschirmung jeweils ein solches Maß zu wählen, daß diese Materialdicke die Eindringtiefe δ der auftretenden Wirbelströme in das Material der jeweiligen Wandung nicht oder wenigstens nicht wesentlich übersteigt. Für die Bleche ist eine Dicke wesentlich kleiner als die Eindringtiefe zu wählen. Die material- und frequenzabhängige jeweilige Ein­ dringtiefe ist vom Fachmann nach den bekannten Regeln zu er­ mitteln.

Für einen in axialer Richtung geblechten Aufbau empfiehlt sich, die Abschirmung konstruktiv als eine Kombination von aufeinander gestapelten Ringen und Scheiben auszuführen. Für einen in radialer Richtung geblechten Aufbau empfiehlt sich eine Kombination von rohr- und scheibenförmigen Ringbandker­ nen. Axiale und/oder radiale Blechung der Abschirmung eignet sich auch in Kombination mit dem voranstehend angegebenen Vorschlag mehrschaliger Abschirmung. Als Ergänzung zu den voranstehenden Lösungsvorschlägen der Erfindung kann mit Vor­ teil außerdem noch eine äußerste Schale vorgesehen sein, die aus elektrisch hoch-leitfähigem und nieder-permeablem Materi­ al. z. B. aus Kupfer, besteht. Die voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Lösungsprinzipien können zusammen mit ein­ facher oder doppelter Schlitzung der Abschirmung ausgeführt sein. Insbesondere gilt dies für den voranstehend letztge­ nannten Vorschlag mit zusätzlicher elektrisch hoch leitfähi­ ger äußerster Schale.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung werden anhand der nach­ folgenden Beschreibung zu Ausführungsbeispielen der Erfindung gegeben.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform mit einer Abschirmung, die aus einem Material besteht, das Wirbelströme jeglicher Richtung in derselben minimiert. Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt in einer Ebene mit der Achse A des Aufbaus.

Fig. 1a zeigt zur Fig. 1 einen Schnitt senkrecht zu dieser Achse A.

Fig. 2 zeigt (in einem Schnitt wie Fig. 1) eine Ausfüh­ rungsform der Erfindung mit mehrschaligem Aufbau der Abschirmung.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit einem in Axialrich­ tung (d. h. senkrecht zur Achse A) geblechtem Aufbau der Abschirmung.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit radial geblechtem Aufbau der Abschirmung.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform mit teilweise radial und mit teilweise axial geblechtem Aufbau der Abschir­ mung und

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform mit einer Abschirmung nach Art einer der Ausführungsformen der Fig. 2 bis 5 bezüglich der magnetischen Abschirmung und mit zusätzlich einer diese magnetische Abschirmung umgebenden (weiteren) elektrischen Abschirmung.

In Fig. 1 sind mit 11 und 12 Hin-Leiter und Rück-Leiter der Primär-Stromleitung 10 bezeichnet. Fig. 1a zeigt einen Schnitt I-I zur Fig. 1. Mit 14 ist der Ringkern aus einem für solche Zwecke bekanntermaßen verwendeten permeablen Mate­ rial, wie Eisen, einem Ferrit oder dgl. bezeichnet. Mit 16 ist die auf einem Spulenkörper 15 aufgewickelte, auf dem Ringkern 14 angebrachte (Sekundär-)Wicklung bezeichnet. Mit 140 ist eine Abschirmung bezeichnet, die hier mit dem Schlitz 141 ausgeführt ist. Durch den Schlitz hindurch vermag bei nicht ausgeglichenem Stromdurchfluß in der Stromleitung 10 auftretender resultierender Magnetfluß in das Innere der Ab­ schirmung 140 in den Wirkungsbereich des Ringkerns 14 mit der Wicklung 16 einzudringen. Mit W sind auftretende (erfindungs­ gemäß wenigstens weitgehend verhinderte/minimierte) Wirbel­ ströme in der Abschirmung 140 gezeigt und bezeichnet.

Die Fig. 1a zeigt die der Fig. 1 zugehörige Schnittansicht, mit der sich ein vollständiges Bild, die Ausführungsform der Fig. 1 betreffend, gewinnen läßt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist dem der Erfin­ dung zugrundeliegenden Prinzip, den von der Abschirmung 140 außerhalb des Schlitzes 141 zu bewirkenden Effekt, vorgese­ hen, daß diese Abschirmung 140 aus einem Material mit relativ geringer spezifischer elektrischer Leitfähigkeit besteht. Insbesondere eignet sich hierfür an sich ferromagnetisches Sintermaterial, das aufgrund seiner Sinterstruktur relativ spezifisch hochohmig ist.

Zum Beispiel eignen sich hierfür Materialien, wie Ferrite, aus denen auch die Topfkerne und dgl. für Spulen hergestellt werden.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 141' darauf hingewiesen, daß an der Stelle dieses Bezugszeichens 141' ein zweiter Schlitz, etwa wie der Schlitz 141, vorgesehen sein kann. Bei einer solchen Ausführungsform besteht dementsprechend die Ab­ schirmung 140 aus wiederum zwei Halbschalen, die an ihren beiden Rändern im Abstand des jeweiligen Schlitzes 141, 141' einander gegenüberstehen.

Die Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau mit mehreren ineinander geschachtelten Abschirmungen 140, 240, 340 mit Schlitz 141. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denen der schon beschriebenen Fig. 1.

Die einzelnen Schalen der Abschirmungen 140, 240, 340 sind voneinander elektrisch isoliert angeordnet. Wie zur Fig. 1 beschrieben, kann die hier dargestellte zweifache Schlitzung 141, 141' vorgesehen sein.

Bei nur einfacher Schlitzung der Abschirmung 140, 240, . . . kann der Schlitz wahlweise innen oder außen positioniert sein. Auch die Höhenlage des (der) Schlitzes ist wählbar.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit axial ge­ blechter magnetischer Abschirmung. Die axial ausgerichteten Wandanteile 140a, 140b bestehen aus aufeinanderliegenden dün­ nen Ringen, die z. B. aus Blech hergestellt sind (worauf die Bezeichnung "geblecht" zurückgeht). Auch die Wandanteile 140b und 140c der Abschirmung sind vorzugsweise geblecht ausge­ führt, d. h. sie bestehen aus aufeinanderliegenden Blechen des Materials der Abschirmung. Die Oberflächen dieser hier Blech­ ringe 140a und Blechscheiben 140b, 140c sind elektrisch iso­ lierend gemacht. Auf diese Weise können Wirbelstromeffekte in dem Material der Abschirmung entscheidend vermindert werden.

Mit 141a und 141b sind hier zwei Schlitze bezeichnet. Der ge­ blechte Aufbau macht aber eine Schlitzung, wie sie für die Ausführungen der Fig. 1, 2 und 6 notwendig sind, für die Ausführungen der Fig. 3 bis 5 entbehrlich.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt die Fig. 4 mit radial geblechter magnetischer Abschirmung. Mit 140e und 140f sind zwei koaxiale zylindrische Hülsen bezeichnet, die z. B. aus je einem Blechband gewickelt sind. Auch hier ist die Oberfläche des Blechbandes elektrisch isolierend ausgeführt. Mit 140g und 140h sind die ringförmigen Deckel zu diesen in­ einander angeordneten Hülsen 140e und 140f bezeichnet. Diese sind z. B. ebenfalls, hier aus schmalem Blechband, gewickelt. Auch eine solche Ausführungsform nach Fig. 4 erfüllt die an die Erfindung gestellte Forderung zur Lösung der Aufgabe ho­ her Effektivität der Abschirmung.

Fig. 5 zeigt als ein Beispiel eine Ausführungsform der Er­ findung mit den Deckeln 140g und 140h der Abschirmung nach Fig. 4 und eine Ausführungsform der zylindrischen Hülsen 140a, 140b nach Art der Fig. 3. Erfindungsgemäß kann auch eine nicht dargestellte Ausführungsform mit Hülsen 140e und 140f, diese vorzugsweise in Wickelform, und mit Deckeln 140c und 140d, aus jeweils Ringscheiben gebildet, kombiniert ge­ bildet sein.

Welche der Ausführungsformen nach den Fig. 3 bis 5 zu be­ vorzugen ist, richtet sich u. a. auch danach, welche dieser Ausführungsvarianten den geringsten Materialverbrauch und/oder kleinsten Fertigungs-/Vorrichtungsaufwand erzielen läßt.

Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit z. B. einer Abschirmung 140. Für die Ausführungsform nach Fig. 6 kann auch eine Abschirmung wie zu den Fig. 2 bis 5 be­ schrieben vorgesehen sein. Mit 440 ist in Fig. 6 eine zu­ sätzliche äußerste Abschirmung bezeichnet, die aus elektrisch gut leitfähigem Material, z. B. aus Kupfer, besteht. Die Ab­ schirmung 440 hat mindestens einen Schlitz 141.

Gegebenenfalls kann auch bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1, 2 und 6 - örtlich positioniert - eine Schlitzung 141a und/oder 141b nach den Ausführungsformen der Fig. 3 bis 5 vorgesehen sein.

Vorgesehene Schlitze 141 sollten bei allen Ausführungsformen der Erfindung Luftschlitze sein. Sie können aber auch mit nicht oder nur schwach permeablem, unbedingt aber elektrisch nichtleitendem Material, etwa als Abstandshalter (mehr oder weniger) ausgefüllt sein.

Wie schon weiter oben angegeben, besteht eine Variante, näm­ lich betreffend die Fig. 2 bis 5, der Erfindung darin, solche Maßnahmen zu treffen, die nur bestimmte Wirbelströme zulassen, die dann vorteilhafterweise die gewünschte Abschir­ mung bewirken. Durch die schon oben angegebene Beschränkung der Dicke der Wandungen bzw. Bleche auf etwa das Maß der Ein­ dringtiefe der Wirbelströme ist gemäß der der Erfindung inso­ weit zugrundeliegenden Idee erreicht, daß zu den innerhalb dieser Materialdicke auftretenden nur unidirektionalen Wir­ belströmen keine zusätzlichen Wirbelströme auftreten, die von diesen unidirektionalen, gewünschten Wirbelströmen in dem Ma­ terial der Abschirmung induziert werden könnten, und zwar mit der Lenz'schen Regel entsprechend entgegengesetzter unidirek­ tionaler Stromrichtung. Diese für die betreffende Variante der Erfindung erfindungsgemäß gewollten unidirektionalen Wir­ belströme schirmen den Ringkern gegenüber magnetischem Wech­ selfeldfluß ab, der insbesondere auch denjenigen Feldfluß um­ faßt, der auf dem Dipolcharakter desselben beruht (und der bei insbesondere hohen Nennströmen ansonsten besonders stö­ rend ins Gewicht fällt). So sind bei dieser Variante der Er­ findung (Fig. 2 bis 5) erfindungsgemäß (Wirbel-)Ströme nutzbar gemacht, die generelle Überlegung nach zur Lösung der der Erfindung gestellten Aufgabe gänzlich unterdrücken/eliminieren sollten.

Die voranstehende Beschreibung und insbesondere die Ausfüh­ rungsformen zeigen eine Primär-Stromleitung mit parallel ne­ beneinander geführtem Hin- und Rück-Leiter. Die Erfindung ist auch zweckmäßig anzuwenden bei einer koaxialen Primär- Stromleitung, wenn sie diese koaxiale Leiterführung nur in der Nähe der Summenstrom-Wandleranordnung, d. h. des Fehler­ strom-Schutzschalters aufweist. Dies gilt aus dem Grunde, daß auch in einem solchen Falle Dipolanteile des magnetischen Wechselfluß-Feldes mit entsprechend nachteiliger Wirkung auf exakte Fehlerschluß-Auslösung auftreten.

Claims (9)

1. Summenstrom-Wandleranordnung für eine Primär- Stromleitung (10),
mit einem Ringkern (14) mit Sekundärwicklung (16),
wobei Ringkern und Sekundärwicklung innerhalb einer aus hochpermeablem Material bestehenden Abschirmung (140) mit Schlitz (141) angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch,
daß für Wechselstrombetrieb der effektiv wirksame Ab­ schirmfaktor durch Wahl eines außerdem auch elektrisch hochohmigen Materials für die Abschirmung vergrößert ist.

2. Wandleranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abschirmung (140) aus hochpermeablen Sinterwerk­ stoff besteht (Fig. 1).

3. Summenstrom-Wandleranordnung für eine Primär- Stromleitung (10),
mit einem Ringkern (14) mit Sekundärwicklung (16),
wobei Ringkern und Sekundärwicklung innerhalb einer aus hochpermeablem Material bestehenden Abschirmung (140) mit Schlitzwirkung (141) angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch,
daß für Wechselstrombetrieb für vergrößerten effektiv wirksamen Abschirmfaktor die Abschirmung einen mehrschaligen Aufbau mit elektrisch gegeneinander isolierten Einzelschalen (140, 240, 340) hat, wobei die Wanddicke (d) der Einzelscha­ len die Eindringtiefe δ wenigstens nicht wesentlich über­ steigt (Fig. 2).

4. Summenstrom-Wandleranordnung für eine Primär- Stromleitung (10),
mit einem Ringkern (14) mit Sekundärwicklung (16),
wobei Ringkern und Sekundärwicklung innerhalb einer aus permeablem Material bestehenden Abschirmung (140) mit Schlitzwirkung (141) angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch,
daß für Wechselstrombetrieb für vergrößerten effektiv wirksamen Abschirmfaktor die Abschirmung (140) einen geblech­ ten Aufbau mit elektrischer Isolation der Bleche gegeneinan­ der hat, wobei die Dicke der Bleche um ein Vielfaches kleiner als die Eindringtiefe δ ist (Fig. 3 bis 5).

5. Wandleranordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Blechung in Radialrichtung der Anordnung ausge­ führt ist (Fig. 3).

6. Wandleranordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Blechung in Axialrichtung der Anordnung ausge­ führt ist (Fig. 5).

7. Wandleranordnung nach den Ansprüchen 4, 5 oder 6 mit teilweise radial und teilweise axial ausgeführter Blechung.

8. Summenstrom-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß eine zusätzliche äußerste (?) Abschirmung (440) mit Schlitz vorgesehen ist, die aus elektrisch gut leitfähigem Material besteht (Fig. 6).

9. Wandleranordnung nach Anspruch 8, mit einer zusätzlichen Abschirmung (440) aus Kupfer.