DE19842059A1 - Fault current protection switch has fault current present signal derived from redundant and/or diversity unit that does not load transducer or that only loads it slightly - Google Patents

Fault current protection switch has fault current present signal derived from redundant and/or diversity unit that does not load transducer or that only loads it slightly

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Abstract

The protection switch (2) interrupts the main current lines irreversibly, or so that only a skilled person can reverse it, within a defined time using a redundant and/or diversity auxiliary break point in the event of loss of protection function in a fault current situation. The signal fault current present is not derived from the trigger circuit, but from a redundant and/or diversity unit (6) that does not load the transducer or that only loads it slightly

Description

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a residual current circuit breaker according to the preamble of Claim 1.

Fehlerstromschutzschalter, wie sie z. B. J. Feitknecht in dem Aufsatz in der Elektrotechnischen Zeitschrift (ETZ), 1984, Heft 13 beschrieb, sind seit langem bekannt. Diesen Fehlerstromschutzschaltern haften gravierende Nachteile an: Ihre Ausfallquote ist für einen Schutzschalter, von dem gegebenenfalls das Leben von Menschen abhängt, viel zu groß. Diese Problematik wird ausführlich in dem Artikel von D. Kieback in der Zeitschrift ELEKTRIE, Berlin 49 (1995)4, dargestellt.Residual current circuit breakers, such as. B. J. Feitknecht in the essay in the Electrotechnical Journal (ETZ), 1984, Issue 13, have been around for a long time known. These residual current circuit breakers have serious disadvantages: yours Failure rate is for a circuit breaker from which the life of Depends on people too big. This issue is discussed in detail in the article by D. Kieback in the magazine ELEKTRIE, Berlin 49 (1995) 4.

Es hat an Versuchen nicht gefehlt, diese Problematik in den Griff zu bekommen. So wird z. B. in der EP 0 502 393 B1 ein Fehlerstromschutzschalter beschrieben, der die Prüftaste automatisch betätigt ohne daß dabei der Strom ausfällt. Dies hat den großen Vorteil, daß die sich anbahnende Kaltverschweißung der Magnetkontakte nicht bis zum Kleben dieser Kontakte führt, weil sie in regelmäßigen Abständen geöffnet werden.There has been no shortage of attempts to get this problem under control. So z. B. described in EP 0 502 393 B1 a residual current circuit breaker, the Test button pressed automatically without the power failing. This has the great advantage that the upcoming cold welding of the magnetic contacts does not lead to the sticking of these contacts because they are periodic be opened.

Doch auch diese Erfindung erniedrigt die Ausfallquote nur um den Faktor 20, was z. B. schon in der OKA-Studie der EBI, Gmunden, 1990 gezeigt wurde. Obwohl dies einen großen Fortschritt darstellt, kann es natürlich trotzdem vorkommen, daß ein Fehlerstromschutzschalter dann nicht auslöst, wenn ein Fehler­ strom ansteht, d. h. diese Maßnahme verbessert zwar die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der herkömmlichen Geräte um ein Vielfaches, doch ein Restrisiko bleibt bestehen.But this invention also lowers the failure rate by a factor of 20 e.g. B. was already shown in the OKA study of the EBI, Gmunden, 1990. Although this is a major step forward, it can of course still occur that a residual current circuit breaker does not trip when an error current is present, d. H. this measure improves reliability and Availability of the conventional devices many times over, but a residual risk remains.

In der DE 44 12 305 A1 wird eine Weiterführung des Gedankens der automatischen Prüfung beschrieben. Sie besteht darin, daß der Prüfvorgang nicht nur einen Fehlerstrom bestimmter Größe simuliert, sondern daß der Prüfstrom langsam bis zum Auslösen der Magnetkontakte ansteigt. Der Auslösestrom wird jeweils gespeichert und mit Hilfe dieser gespeicherten Werte wird auf den voraussichtlichen Ausfall (Überschreiten des Grenzwertes z. B. 30 mA) extrapoliert.DE 44 12 305 A1 describes a continuation of the idea of automatic Exam described. It consists in the fact that the test procedure is not just one Fault current of a certain size simulated, but that the test current slowly up to trigger the magnetic contacts rises. The tripping current is each saved and with the help of these saved values will be on the expected Failure (exceeding the limit e.g. 30 mA) extrapolated.

Auch dieses Verfahren birgt ein Restrisiko in sich, nämlich auch diese automatische Überwachung kann ausfallen.This process also harbors a residual risk, namely this automatic too Monitoring can fail.

In der deutschen Patentanmeldung DE 195 28 918.8 wird daher ein Notaus-Zusatz­ schaltgerät beschrieben, daß, wenn die o.g. automatische Überwachung ausfallen oder das Schaltwerk klemmen sollte, eine irreversible oder nur vom Fachmann rückgängig machbare Trennung der Hauptstromleitungen erfolgt. Die Trennstellen können mit verschiedenen Mitteln verwirklicht werden.In the German patent application DE 195 28 918.8 there is therefore an emergency stop addition switching device described that if the above automatic monitoring fail or the rear derailleur should jam, an irreversible one or only by a specialist reversible separation of the main power lines takes place. The separation points can be achieved by various means.

Das Erkennen des Versagens wird z. B. durch eine Spannungsmessung hinter den Stromkontakten des Fehlerstromschutzschalters erreicht. Diese Methode verringert das dann noch verbleibende Risiko so stark, daß eine weitere Steigerung der Sicherheit kaum mehr möglich erscheint. Doch trifft das nicht zu. Es sind Fälle bekannt, in denen ein Versagen des Schalters auf einem Leitungsbruch zwischen Wandler und Auslöser beruhte. Dadurch kann auch die Elektronik des Zusatz­ schaltgerätes nicht mehr erkennen, ob ein Fehlerstrom anliegt oder nicht.The detection of the failure is e.g. B. by a voltage measurement behind the Current contacts of the residual current circuit breaker reached. This method diminishes the remaining risk is so strong that a further increase in Security hardly seems possible anymore. But that is not the case. There are cases known in which a failure of the switch on a wire break between The converter and trigger were based. This also allows the electronics of the additive switchgear no longer recognize whether a fault current is present or not.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen sich automatisch überwachenden Fehlerstromschutzschalter der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der auch noch dieses Restrisiko beseitigt, bzw. dieses Restrisiko noch einmal erheblich vermindert und damit auch die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit steigert. The object of the invention is therefore to automatically monitor one To create residual current circuit breakers of the type described above, which also this residual risk has been eliminated, or this residual risk has been significantly increased reduced and thus also increases reliability and availability.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.This object is achieved by the characterizing features of claim 1.

Erfindungsgemäß ist also der sich automatisch überwachende Fehlerstrom­ schutzschalter dadurch gekennzeichnet, daß das Signal "Fehlerstrom liegt an" nicht aus dem Auslöserkreis gewonnen wird, sondern aus einer den Wandler nicht, bzw. nur sehr gering belastenden redundanten und/oder diversitären Einheit, so daß die sehr geringe Energie des Fehlerstromintegrals immer noch ausreicht, den Auslöser zu betätigen.According to the invention, the automatically monitoring fault current is Circuit breaker characterized in that the signal "fault current is present" is not is obtained from the trigger circuit, but not from the converter, or Redundant and / or diversified unit which is only very slightly stressful, so that the very low energy of the residual current integral is still sufficient to trigger the to operate.

Diese Einheit besteht aus einem hochohmigen CMOS-Verstärker, der entweder an die Sekundärwicklung des Wandlers oder an eine zweite Wicklung, die auf dem Wandler aufgebracht ist, angeschlossen wird.This unit consists of a high impedance CMOS amplifier that either connects to the secondary winding of the converter or to a second winding on the Converter is applied, is connected.

Natürlich kann man die Sekundärwicklung des Wandlers auch als Wicklung mit Anzapfung ausführen, an die der Auslöser oder die o.g. Einheit angeschlossen wird und an das Ende der Wicklung dann entweder der Auslöser oder die o.g. Einheit, wobei es auf die Auslegung der Wicklungen ankommt, ob der Auslöser oder die Einheit dem Ende der Wicklung folgt.Of course, the secondary winding of the converter can also be used as a winding Make a tap to which the trigger or the above Unit is connected and then at the end of the winding either the trigger or the above Unit, it depends on the design of the windings, whether the trigger or the Unit follows the end of the winding.

Eine weitere Möglichkeit den erfindungsgemäßen Gedanken auszuführen besteht darin, einen zweiten, möglichst billigen und zuverlässigen Wandler einzusetzen, der beispielsweise einen Ferritkern besitzt, auf dem die redundante Wicklung aufgebracht wird.Another possibility is to carry out the idea of the invention in using a second converter that is as cheap and reliable as possible for example, has a ferrite core on which the redundant winding is applied.

Normalerweise wird man die Stromversorgung des Verstärkers der o.g. Einheit netzspannungsabhängig ausführen. Besser ist es, wenn jedoch möglichst viele Bausteine netzspannungsunabhängig funktionieren, d. h. auch bei Nulleiter­ unterbrechung.Usually you will power the amplifier of the above. unit Execute depending on the mains voltage. It is better, however, if as many as possible Blocks function independently of the mains voltage, d. H. also with neutral interruption.

Im Gegensatz zur normalen Fehlerstromschutzfunktion, die innerhalb von 50 ms den Schalter im Fehlerstromfall zum Auslösen bringen soll, hat man für die oben beschriebene, sog. Fail-safe-Funktion eine Zeit von kleiner/gleich 200 ms zur Verfügung, d. h. man kann die 3 bis 4fache Energie aus dem Fehlerstromintegral entnehmen, sie ca. 150 bis 200 ms lang speichern und sie danach erst zum Betätigen der Zusatztrennstelle verwenden. Eine solche Speicherung ist nicht nur aus der allgemeinen Elektronik her bekannt, sonder auch aus dem Fachgebiet der zeitverzögerten Fehlerstromschutzschalter, in dem die Fehlerstromschutzfunktion absichtlich etwas verzögert wird, damit beispielsweise ein Störimpuls eines Gewitters den Schalter nicht unerwünscht ausschaltet.In contrast to the normal residual current protection function, which operates within 50 ms Switch in the event of a fault current should be triggered for the above described, so-called fail-safe function a time of less than or equal to 200 ms Disposal, d. H. you can get 3 to 4 times the energy from the residual current integral remove them, save them for approx. 150 to 200 ms and only then save them for Use the additional separation point. Such storage is not only known from general electronics, but also from the field of time-delayed residual current circuit breaker, in which the residual current protection function is deliberately delayed somewhat, so that, for example, a glitch from a Thunderstorm does not turn off the switch unwanted.

Führt man nun die o.g. Baueinheiten netzspannungsunabhängig aus, so kann man trotzdem die Zusatztrennstelle auch bei Nulleiterunterbrechung schalten, wenn man deren Antrieb aus einem Energiespeicher speist. Als Beispiel sei eine Druckfeder genannt, die im gespannten Zustand mittels einer mechanischen Sperre am sich ausdehnen gehindert wird. Diese Sperre wird mit Hilfe der gespeicherten Energie des Fehlerstromintegrals im Fehlerstromfall entklinkt.If you now carry out the above Modules independent of mains voltage, so you can nevertheless switch the additional disconnection point even if the neutral is interrupted, if one whose drive feeds from an energy store. A compression spring is an example called, which in the tensioned state by means of a mechanical lock on itself expansion is prevented. This lock is created using the stored energy of the residual current integral in the event of a residual current.

Will man eine netzspannungsunabhängige Variante der Erfindung einsetzen und liegt im Fehlerstromfall zusätzlich eine Nulleiterunterbrechung vor, dann gewinnt man das Signal "Trennstelle öffnen" aus den beiden Signalen "Netzspannung Null" und "Fehlerstrom liegt an".If you want to use a line voltage independent variant of the invention and if there is a neutral interruption in the event of a fault current, then wins the signal "Open disconnection point" from the two signals "Mains voltage zero" and "fault current is present".

Anhand der Zeichnungen sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und näher erläutert.Four exemplary embodiments of the invention are illustrated with the aid of the drawings and explained in more detail.

Es zeigenShow it

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen, sich automatisch überwachenden Fehlerstromschutzschalters mit einem Wandler und einer zweiten Wicklung, Fig. 1 is a schematic representation of, automatically monitoring residual current circuit breaker according to the invention with a transducer and a second winding,

Fig. 2 einen solchen mit einem zweiten Wandler, der eine eigene Wicklung trägt, Fig. 2 such a second converter, which carries its own winding,

Fig. 3 und 4 zwei netzspannungsunabhängige Varianten der Erfindung mit entsprechender Elektronik. FIGS. 3 and 4, two line-voltage-independent variants of the invention with corresponding electronics.

Es bedeuten in Fig. 1:
L und N die Phasen- und Nulleitung des Stromnetzes, 1 den ursprünglichen Fehler­ stromschutzschalter, 2 die Anschlußklemmen, an die ein Verbraucher ange­ schlossen wird, 3 den Wandlerkern des Schalters, 4 eine erste Wicklung, an die der Auslöser 5 angeschlossen und 6 eine zweite, an die die den Wandler nicht bzw. nur gering belastende redundante und/oder diversitäre Einheit, hier ein CMOS-Ver­ stärker 7 angeschlossen wird, 8 das Schaltwerk, das die Kontakte 9 im Fehlerstromfall öffnen sollte, 10 ein im Stand der Technik beschriebenes Zusatzschaltgerät, bestehend aus dem Antrieb 11, der die Trennstellen 12 dann betätigt, wenn die Kontakte 9 im Fehlerstromfall nicht öffnen und der Elektronik 13, in der die hinter den Kontakten 9 abgegriffene Spannung gemessen und weiter­ verarbeitet wird.It means in Fig. 1:
L and N the phase and zero line of the power grid, 1 the original fault circuit breaker, 2 the terminals to which a consumer is connected, 3 the transformer core of the switch, 4 a first winding to which the trigger 5 is connected and 6 a second , to which the converter, which is not or only slightly stressful, is connected to a redundant and / or diverse unit, here a CMOS amplifier 7 , 8 the switching mechanism that should open the contacts 9 in the event of a fault current, 10 an additional switching device described in the prior art , consisting of the drive 11 , which actuates the disconnection points 12 when the contacts 9 do not open in the event of a fault current, and the electronics 13 , in which the voltage tapped behind the contacts 9 is measured and further processed.

Über die Leitung 14 erhält die Elektronik im Fehlerstromfall das Signal "Fehlerstrom liegt an". Geht dann die gemessene Spannung nicht innerhalb einer vorge­ schriebenen Zeit, z. B. nicht innerhalb von 150 ms gegen Null, gibt sie dem Antrieb 11 den Befehl, die Trennstelle 12 zu öffnen. Die in die Elektronik 13 geführte Spannung versorgt die darin enthaltenen Bauelemente mit dem notwendigen Betriebsstrom. Werden hingegen die gesamten Bausteine in Niedervolt-CMOS- Technolgie ausgeführt, kann man die Stromversorgung mit Hilfe einer Speicher­ schaltung aus der Energie des Fehlerstromintegrals gewinnen. Dies hat den Vorteil, daß für den Fehlerfall einer Nulleiterunterbrechung das Zusatzschaltgerät dennoch erkennt, ob die Kontakte 9 geöffnet wurden oder nicht. Gibt nämlich der Verstärker 7 das Signal "Fehlerstrom liegt an" und ist die hinter den Kontakten 9 gemessene Spannung Null, gibt sie ebenfalls und zwar dann an einen netzspannungs­ unabhängigen Antrieb 11 den Befehl, die Trennstelle 12 zu öffnen.In the event of a fault current, the electronics receive the signal "fault current is present" via line 14 . Then does the measured voltage not within a prescribed time, z. B. not within 150 ms to zero, it gives the drive 11 the command to open the separation point 12 . The voltage fed into the electronics 13 supplies the components contained therein with the necessary operating current. If, on the other hand, all of the components are implemented using low-voltage CMOS technology, the power supply can be obtained from the energy of the residual current integral using a memory circuit. This has the advantage that, in the event of a fault in a neutral interruption, the additional switching device still recognizes whether the contacts 9 have been opened or not. If the amplifier 7 gives the signal “fault current is present” and if the voltage measured behind the contacts 9 is zero, it also gives the command to a drive 11 which is independent of the mains voltage to open the disconnection point 12 .

In Fig. 2 haben die Zahlen 1 bis 14 die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1.In FIG. 2, the numbers 1 to 14 have the same meaning as in FIG. 1.

Hinzu kommt nur noch der zusätzliche Wandlerkern 15, der beispielsweise ein Ferritkern sein kann und die Wicklung 16. Die Wirkungsweise ist identisch mit dem Beispiel der Fig. 1.In addition, there is only the additional converter core 15 , which can be a ferrite core, for example, and the winding 16 . The mode of operation is identical to the example in FIG. 1.

Fig. 3 zeigt eine erste netzspannungsunabhängige Ausführung der Erfindung, in der die Ziffern 1 bis 14 wieder die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1 haben. Hinzu kommt die elektromagnetische Sperre oder Verklinkung 15, die den mechanischen Energiespeicher, z. B. die Druckfeder 16 am Betätigen des Schaltschlosses 11 im Normalfall hindert. Bei Versagen der normalen Fehlerstromschutzfunktion zieht der Elektromagnet die Sperre nach rechts, die Feder 16 betätigt das Schloß 14 und die Kontakte 12 öffnen. FIG. 3 shows a first embodiment of the invention that is independent of the mains voltage, in which the numerals 1 to 14 again have the same meaning as in FIG. 1. In addition, there is the electromagnetic lock or latch 15 , which the mechanical energy storage, for. B. prevents the compression spring 16 from operating the key switch 11 in the normal case. If the normal residual current protection function fails, the electromagnet pulls the lock to the right, the spring 16 actuates the lock 14 and the contacts 12 open.

Den Fall einer Nulleiterunterbrechung erkennt die Elektronik 13 daran, daß ihre gespeicherte Energie sich langsam verringert. Unterschreitet sie einen bestimmten Wert, löst der Magnet 15 die Feder 16 und öffnet prophylaktisch die Kontakte 12.The electronics 13 recognizes the case of a neutral interruption by the fact that its stored energy is slowly decreasing. If it falls below a certain value, the magnet 15 releases the spring 16 and opens the contacts 12 prophylactically.

Fig. 4 zeigt eine zweite netzspannungsunabhängige Ausführung der Erfindung, in der das Schaltschloß 11 entfallen ist, weil die Trennstellen 12 aus zwei Sprengkapseln bestehen, die im Fehlerstromfall mit Hilfe der in der Elektronik 13 gespeicherten Energie des Fehlerstromintegrals gezündet werden und die Leitungen auftrennen. Fig. 4 shows a second mains voltage-independent embodiment of the invention, in which the switching lock 11 has been omitted because the separation points 12 consist of two detonators, which are ignited in the event of a fault current using the energy of the fault current integral stored in the electronics 13 and disconnect the lines.

Claims (6)

1. Fehlerstromschutzschalter, der bei Versagen der Fehlerstromschutzfunktion im Fehlerstromfall innerhalb einer vorgegebenen Zeit irreversibel, bzw. nur vom Fachmann rückgängig zu machend, die Hauptstromzuleitungen mit Hilfe einer redundanten und/oder diversitären Zusatztrennstelle unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal "Fehlerstrom liegt an" nicht aus dem Auslöserkreis gewonnen wird, sondern aus einer den Wandler nicht, bzw. nur gering belastenden redundanten und/oder diversitären Einheit.1. Residual current circuit breaker which, in the event of failure of the residual current protection function in the event of a residual current, becomes irreversible within a predetermined time or can only be reversed by a specialist, interrupts the main power supply lines with the aid of a redundant and / or diverse additional disconnection point, characterized in that the signal "residual current is present" is not obtained from the trigger circuit, but from a redundant and / or diverse unit which does not or only slightly stress the converter. 2. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die redundante und/oder diversitäre Einheit aus einem den Wandler nicht bzw. nur gering belastenden hochohmigen Halbleiterverstärker besteht, dessen Eingang parallel zum Auslöser an der einzigen Sekundärwicklung des Wandlers liegt.2. Residual current circuit breaker according to claim 1, characterized in that the redundant and / or diverse unit from a converter not or only low-load high-resistance semiconductor amplifier, whose input is parallel to the trigger on the single secondary winding of the converter. 3. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die redundante und/oder diversitäre Einheit aus einer zweiten Wicklung auf dem Wandler und einem den Wandler nicht bzw. nur gering belastenden hoch­ ohmigen Halbleiterverstärker besteht.3. Residual current circuit breaker according to claim 1, characterized in that the redundant and / or diverse unit from a second winding on the Transducer and one that does not or only slightly stress the transducer ohmic semiconductor amplifier. 4. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die redundante und/oder diversitäre Einheit aus einem zweiten Wandler, beispielsweise aus einem Ferritkernwandler und einem hochohmigen Halbleiterverstärker besteht.4. Residual current circuit breaker according to claim 1, characterized in that the redundant and / or diverse unit from a second converter, for example, a ferrite core converter and a high-resistance Semiconductor amplifier exists. 5. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des Wandlers aus einer Wicklung mit Anzapfung besteht, daß der Auslöser z. B. an dieser Anzapfung und der den Wandler nicht bzw. nur gering belastende hochohmige Verstärker der redundanten und/oder diversitären Einheit am Ende der Wicklung angeschlossen sind.5. Residual current circuit breaker according to claim 1, characterized in that the Secondary winding of the converter consists of a winding with tapping, that the trigger z. B. at this tap and the converter or not low-load, high-resistance amplifiers of the redundant and / or diversified unit are connected at the end of the winding. 6. Fehlerstromschutzschalter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Elektronik an einen netzspannungsunabhängigen Antrieb der Zusatztrennstelle den Befehl gibt, die Zusatztrennstelle zu öffnen, wenn die Spannung hinter den Kontakten des Fehlerstromschutzschalters wegen Nulleiterunterbrechung nicht gemessen werden kann und die gespeicherte elektrische Energie einen unteren Grenzwert erreicht hat.6. Residual current circuit breaker according to claims 1 to 5, characterized net that the electronics to a mains voltage independent drive Additional separation point gives the command to open the additional separation point when the Voltage behind the contacts of the residual current circuit breaker due to Neutral interruption can not be measured and the saved electrical energy has reached a lower limit.
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