DE19842469A1 - Schutzschalt-Einrichtung - Google Patents

Abstract

Um bei einer Schutzschalt-Einrichtung, insbesondere bei einem Differenzstrom-Schutzschalter oder bei einem Differenzstrom-Zusatz, auch direkt nach dem Einschalten ein gutes Auslöseverhalten zu erzielen, ist ein magnetisches Auslöserelais (6) mit einem aus einem beweglich gelagerten Magnetanker (28) und einem unbeweglichen Joch (21) gebildeten Eisenkreis (33) sowie mit einer Magnetspule (20) vorgesehen, deren Wicklungswiderstand (R) mindestens 800 OMEGA beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschalt-Einrichtung, insbesondere einen Differenzstrom-Schutzschalter oder Diffe­ renzstrom-Zusatz, mit einem magnetischen Auslöserelais, das einen aus einem beweglich gelagerten Magnetanker und einem Joch gebildeten Eisenkreis sowie eine Magnetspule umfasst.

Eine derartige Schutzschalt-Einrichtung dient zur Sicherstel­ lung des Schutzes gegen einen gefährlichen Körperstrom in ei­ ner elektrischen Anlage. Ein solcher tritt beispielsweise dann auf, wenn eine Person ein spannungsführendes Teil einer elektrischen Anlage berührt. Der Fehlerstrom (oder auch Dif­ ferenzstrom) fließt dann über die Person als Körperstrom ge­ gen Erde ab. Die zum Schutz gegen gefährliche Körperströme eingesetzte Schutzschalt-Einrichtung trennt bei Überschreiten des sogenannten Bemessungsfehlerstromes den betroffenen Stromkreis sicher und schnell zum Netz.

Der Aufbau bekannter Schutzschalt-Einrichtungen ist bei­ spielsweise aus der "etz" Band 107 (1986), Heft 20, Seiten 938-945, bekannt. Dort sind insbesondere in den Bildern 1 bis 3 Prinzipschaltbilder und Funktionsprinzipien eines Fehler­ strom-Schutzschalters (FI-Schutzschalter) und eines Diffe­ renzstrom-Schutzschalters (DI-Schutzschalter) dargestellt. Der FI- und der DI-Schutzschalter sind in ähnlicher Art und Weise aus drei Baugruppen aufgebaut. In der Sekundärwicklung eines Summenstromwandlers, durch dessen Wandlerkern alle stromführenden Leiter eines Leiternetzes geführt sind, wird im Falle eines Fehlerstroms ein Spannungssignal induziert, das einen mit der Sekundärwicklung verbundenes Auslöserelais (oder auch Auslöser) ansteuert. Am Auslöserelais wird übli­ cherweise durch Magnetfeld-Kompensation Bewegungsenergie freigesetzt, die eine Schaltmechanik entklinkt. Die Schaltme­ chanik bewirkt daraufhin die Trennung der Leiter des Leiter­ netzes.

Der FI-Schutzschalter ist ausschließlich induktiv über den Summenstromwandler an das Leiternetz angekoppelt. Er entnimmt somit die zur Auslösung notwendige Energie netzspannungsunab­ hängig aus dem Fehlerstrom selbst. Dagegen ist beim DI- Schutzschalter der Sekundärwicklung und dem Auslöserelais zur Aufbereitung des Spannungssignals eine über ein Netzteil spannungsversorgte Auslösekreis-Elektronik zwischengeschal­ tet, die üblicherweise einen Verstärker und einen Gleichrich­ ter umfasst.

Netzteile für DI-Schutzschalter sind üblicherweise für Über­ spannungskategorie III oder IV gemäß der Norm IEC 664-1 aus­ gelegt. Dies bedeutet beispielsweise bei Überspannungskatego­ rie IV, dass bei einer Nennspannung von 480 V oder 690 V eine Stoßspannungsfestigkeit von 6 kV bzw. 8 kV erforderlich sind. Zur Sicherstellung dieser Stoßspannungsfestigkeit ist das Netzteil des DI-Schutzschalters mit einer Schutzbeschaltung, z. B. in Form strombegrenzender Eingangswiderstände mit einem nachgeschalteten Spannungsbegrenzer, versehen. Diese für ei­ nen vorgegebenen Maximalwert der Netzspannung ausgelegte Schutzbeschaltung begrenzt die für die Auslösung zur Verfü­ gung stehende Leistung auf einen geringen Betrag, insbeson­ dere wenn die Netzspannung den Maximalwert wesentlich unter­ schreitet. Zur unverzögerten Bereitstellung der erforderli­ chen Energie ist dem Netzteil daher häufig ein Energiespei­ cher, z. B. ein Kondensator, nachgeschaltet. Ein mit einem Energiespeicher versehener DI-Schutzschalter weist jedoch in nachteiliger Weise beim Zuschalten eines dem DI-Schutzschal­ ter defekten nachgeschalteten Verbrauchers, beispielsweise einer elektrischen Anlage mit einem Isolierfehler gegen Mas­ se, an das Leiternetz eine vergleichsweise lange Auslösezeit auf, da der Energiespeicher noch ungeladen ist. Diese lange Auslösezeit beim Einschalten steht häufig der Erfüllung ein­ schlägiger Normen, insbesondere der IEC947-2, Anhang B, ent­ gegen. Dort ist zudem gefordert, dass die Auslösung bei einer Versorgungsspannung bis zu einer Untergrenze von 50 V sicher­ gestellt sein muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschalt- Einrichtung anzugeben, die insbesondere bei einer geringen Versorgungsspannung und unabhängig vom Einschaltzeitpunkt ein gutes Auslöseverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schutz­ schalt-Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist die Magnetspule derart gestaltet, dass ihr Wicklungswi­ derstand bei einer Raumtemperatur von etwa 20°C mindestens 800 Ω beträgt.

Mit der hochohmigen Gestaltung der Magnetspule wird ein be­ sonders hoher Spannungsabfall an der Magnetspule erreicht. Der Spannungsabfall an den Widerständen einer Schutzbeschal­ tung wird auf diese Weise derart reduziert, dass zur Betäti­ gung des Auslöserelais schon eine vergleichsweise geringe Versorgungsspannung, insbesondere 50 V, genügt. Dabei ist der Einsatz eines Energiespeichers vorteilhafterweise nicht er­ forderlich. Des Weiteren ist durch die Hochohmigkeit der Ma­ gnetspule verhindert, dass das Netzteil während der Ansteue­ rung des Auslöserelais annähernd in Kurzschlussbetrieb arbei­ tet, wodurch die Versorgungsspannung einer dem Auslöserelais vorgeschalteten Auslösekreis-Elektronik kurzzeitig zusammen­ brechen würde. Ein solcher Kurzschlussbetrieb des Netzteils ist bei permanenter Spannungsversorgung des Netzteils uner­ wünscht, zumal eine dem Auslöserelais vorgeschaltete Auslö­ seelektronik die Unterbrechung der Stromzufuhr an das Auslö­ serelais nur bei ausreichender Spannungsversorgung zuverläs­ sig durchführt. Permanente Spannungsversorgung liegt dann vor, wenn die Netzeinspeiserichtung am DI-Schutzschalter der­ art gewählt ist, dass das Netzteil nach erfolgtem Auslösevor­ gang weiterhin an Netzspannung liegt. Bei nicht-permanenter Spannungsversorgung würde ein Kurzschlussbetrieb kurzfristig durch Trennung des Netzteiles von der Versorgungsspannung be­ endet. Infolge der Vermeidung eines Kurzschlussbetriebs ist die Netzeinspeiserichtung daher beliebig.

Mittels einer niedrigen Ansprechspannung der Magnetspule von höchstens 18 V_DC bei Raumtemperatur bei angelegter Gleich­ spannung wird die zur Auslösung erforderliche Energie weiter herabgesetzt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn kein Energiespeicher vorgesehen ist.

Um den Kostenaufwand für ein Auslöserelais bei gleichzeitig gutem Auslöseverhalten vergleichsweise gering zu halten, sind der Eisenkreis und die Magnetspule derart aufeinander abge­ stimmt, dass die Hubzeit einen Höchstbetrag von 10 msec nicht überschreitet. Als Hubzeit wird dabei die Zeitspanne nach dem Anlegen einer Auslösespannung an die Magnetspule bezeichnet, innerhalb derer der Magnetanker aus der Ruhestellung in den Vollausschlag gehoben wird. Eine derartige Optimierung des Auslöserelais ist vorteilhaft, zumal der hohe Wicklungswider­ stand und die reduzierte Ansprechspannung zu einer ver­ gleichsweise langen Hubzeit führt.

In vorteilhafter Dimensionierung wird der Magnetanker in Ru­ hestellung von einem Permanentmagneten derart gegen eine Fe­ derkraft gehalten, dass die den Magnetanker in Ruhestellung haltende Resthaltekraft mindestens das 500 N/kg-fache der An­ kermasse beträgt. Bei diesem Mindestbetrag ist meinerseits die für die Auslösung erforderliche Energie besonders gering. An­ dererseits genügt diese Resthaltekraft, um eine ungewollte Auslösung bei Schock- oder Schwingbeanspruchung des Auslöse­ relais wirkungsvoll zu verhindern.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch einen DI-Schutzschalter mit einem einen Schalter betätigenden Auslöserelais,

Fig. 2 in einem Längsschnitt schematisch das Auslöserelais gemäß Fig. 1 mit einem als Tauchanker ausgebildeten Magnetanker,

Fig. 3 in einem Längsschnitt schematisch eine alternative Ausführungsform des Auslöserelais mit einem als Klappanker ausgebildeten Magnetanker.

Der in Fig. 1 dargestellte DI-Schutzschalter 1 umfasst einen Summenstromwandler 2 mit einem Wandlerkern 3, durch welchen die drei Phasenleitungen Li, i = 1, 2, 3 sowie der Nulleiter N eines Vier-Leiternetzes LN geführt sind. Der DI-Schutzschal­ ter 1 ist dabei einem (nicht dargestellten) elektrischen Ver­ braucher vorgeschaltet, welcher aus dem Leiternetz LN mit Strom versorgt wird. Der Wandlerkern 3 ist des Weiteren mit einer Sekundärwicklung 4 versehen.

Im störungsfreien Betrieb des Leiternetzes LN ist die Summe der durch den Wandlerkern 3 fließenden Ströme stets Null. Ei­ ne Störung tritt dann auf, wenn - z. B. infolge eines Leck­ stroms - ein Teil des zugeführten Stromes verbraucherseitig über Erde abgeführt wird. In diesem Fall ergibt die Summe der durch den Wandlerkern 3 fließenden Ströme einen von Null ver­ schiedenen Betrag. Dieser Differenzstrom oder Fehlerstrom in­ duziert in der Sekundärwicklung 4 des Summenstromwandlers 2 eine Differenzspannung UΔ, welche als Maß für den aufgetrete­ nen Fehlerstrom herangezogen wird. Die in der Sekundärwick­ lung 4 erzeugte Differenzspannung UΔ durchläuft dabei zu­ nächst eine Auslösekreis-Elektronik 5. In der Auslösekreis- Elektronik 5 wird die Differenzspannung UΔ verstärkt und gleichgerichtet sowie bewertet. Erfüllt die gleichgerichtete und verstärkte Differenzspannung UΔ hinsichtlich ihrer Ampli­ tude und/oder ihrer Fortdauer eine vorgegebene Auslösebedin­ gung, so gibt die Auslösekreis-Elektronik 5 eine Auslösespan­ nung Ua an das ausgangsseitig mit Massepotential M verbundene Auslöserelais 6 ab.

Zum Betrieb der Auslösekreis-Elektronik 5 ist ein Netzteil 7 vorgesehen, das der Auslösekreis-Elektronik 5 eine Versor­ gungsspannung Uv zur Verfügung stellt. Das Netzteil 7 ist seinerseits über Versorgungsleitungen 8 aus den Leitern Li, N des Leiternetzes LN gespeist. Zum Schutz des DI-Schutzschal­ ters 1 gegen Transiente Überspannungen beinhaltet das Netz­ teil 7 in jede Versorgungsleitung 8 geschaltete Schutzele­ mente 9, z. B. ohmsche Widerstände.

Das Auslöserelais 6 betätigt bei Ansteuerung durch die Auslö­ sespannung Ua eine Schaltmechanik 11, welche die Schaltkon­ takte eines auf alle Leiter Li, N des Leiternetzes LN wirken­ den Schalters 12 öffnet. In der mit E bezeichneten Netzein­ speiserichtung sind die Versorgungsleitungen 8 dem Schal­ ter 12 nachgeschaltet. Hierdurch wird beim Öffnen des Schal­ ters 12 auch die Spannungsversorgung des Netzteils 7 unter­ brochen. Im Gegensatz dazu liegt bei der entgegengesetzten Netzeinspeiserichtung E' das Netzteil 7 permanent unter Netz­ spannung.

Das Auslöserelais 6 umfasst gemäß Fig. 2 eine Magnetspule 20 und ein Joch 21, wobei das Joch 21 die Magnetspule 20 außen­ seitig nach Art eines Behälters umgibt. Das Joch 21 ist dabei mit einer Durchfuhrung 22 versehen, die mit einer im Spulen­ körper 23 der Magnetspule 20 vorgesehenen Bohrung 24 fluch­ tet. An dem der Durchführung 22 gegenüberliegenden Boden 25 des Joches 21 ist ein Permanentmagnet 26 derart angebracht, dass seine Nord-Süd-Achse 27 etwa koaxial mit der Bohrung 24 verläuft.

Das Auslöserelais 6 umfasst des Weiteren einen stabförmigen Magnetanker 28, der durch die Durchführung 22 und die Boh­ rung 24 ins Innere des Auslöserelais 6 hineingeführt ist. In Ruhestellung liegt dabei der Magnetanker 28 mit einem Hal­ teende 29 auf dem Permanentmagneten 26 auf. Der als Tauchanker bezeichnete Magnetanker 28 durchsetzt somit die Bohrung 24 der Spulenkörpers 23. Das dem Halteende 29 entge­ gengesetzte Ende 30 des Magnetankers 28 ragt über das Joch 21 hinaus und ist zu einem Betätigungskopf 31 verbreitert. Zwi­ schen dem Betätigungskopf 31 und dem Joch 21 ist eine den Ma­ gnetanker 28 umgebende Druckfeder 32 angeordnet, die in Ruhe­ stellung des Auslöserelais 6 unter Vorspannung steht.

Das Joch 21, der Magnetanker 28 und der Permanentmagnet 26 bilden miteinander eine annähernd geschlossene, torus-ähnli­ che Form, entlang der das Magnetfeld des Permanentmagneten 26 und der Magnetspule 20 geführt ist. Zur Erhöhung des Magnet­ flusses bestehen das Joch 21 und der Magnetanker 28 aus einem Material mit hoher magnetischer Permittivität, insbesondere aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoff-Gehalt. Das Joch 21 und der Magnetanker 28 werden deshalb als Eisenkreis 33 bezeich­ net.

In Ruhestellung wird der Magnetanker 28 vom Permanentmagne­ ten 26 mit einer Magnetkraft Em angezogen. Dieser Magnet­ kraft Fm wirkt die von der Druckfeder 32 auf den Magnetan­ ker 28 ausgeübte Federkraft Ff entgegen. Der Magnetanker 28 wird somit durch eine durch die Differenz der Kräfte Fm und Ff gegebene Resthaltekraft Fm-Ff in der Ruhestellung gehalten. Diese Resthaltekraft Fm-Ff beträgt dabei minde­ stens das 500 N/kg-fache der Ankermasse in Kilogramm.

Zur Betätigung des Auslöserelais 6 wird an die Magnetspule 20 die Auslösespannung Ua derart angelegt, dass das von der Ma­ gnetspule 20 erzeugte Magnetfeld dem Magnetfeld des Perma­ nentmagneten 26 entgegenwirkt. Dies reduziert die auf den Ma­ gnetanker 28 wirkende Magnetkraft Fm, wodurch die Feder­ kraft Ff überwiegt. Der Magnetanker 28 wird dadurch durch die Druckfeder 32 aus der Ruhestellung in den (gestrichelt ange­ deuteten) Vollausschlag V angehoben. Infolge der Bewegung des Magnetankers 28 wird auf nicht näher dargestellte Weise die Schaltmechanik 11 betätigt.

Die Zeitspanne zwischen dem Anlegen der Auslösespannung Ua und dem Erreichen des Vollausschlags V wird als Hubzeit be­ zeichnet. Als Höchstbetrag für die Hubzeit sind t = 10 msec vor­ gesehen. Die Magnetspule 20 und der Eisenkreis 33 sind des Weiteren derart aufeinander abgestimmt, dass bei einem Wick­ lungswiderstand R der Magnetspule 20 von mindestens 800 Ω die Ansprechspannung höchstens 18 V_DC bei Raumtemperatur (≅ 20°C) beträgt. Als Ansprechspannung wird die minimale Gleichspan­ nung bezeichnet, bei der eine Auslösung erfolgt. Die An­ sprechspannung stellt somit eine Untergrenze für die Auslöse­ spannung Ua dar.

In einer alternativen Ausführung weist gemäß Fig. 3 das Joch 21 eine U-förmige Geometrie auf. Dabei sind die Schenke­ lenden 40 des Joches 21 mittels eines im wesentlichen ebenen Magnetankers 28 überbrückt. Der Magnetanker 28 ist dabei am Joch 21 schwenkbar gelagert. Das außenseitig über die Schwen­ kachse 41 hinausstehende Hebelende 42 des Magnetankers 28 steht in Eingriff mit einer Zugfeder 43. Die Zugfeder 43 ist außenseitig am Joch 21 entlanggeführt und mit dem dem Ma­ gnetanker 28 abgewandten Ende 44 am Joch 21 derart fixiert, dass sie in Ruhestellung des Auslöserelais 6, d. h. bei plan auf den Schenkelenden 40 des Joches 21 aufliegenden Magnetan­ ker 28, unter Vorspannung steht. Der Permanentmagnet 26 ist in dieser Ausführung stabförmig ausgebildet und liegt in Ru­ hestellung des Auslöserelais 6 passgenau zwischen dem Bo­ den 25 des Jochs 21 und dem Magnetanker 28 ein. Das Joch 21 und der Magnetanker 28 bilden somit wiederum den Eisen­ kreis 33. Die Zugfeder 43 übt auf den Magnetanker 28 ein Drehmoment aus, welches den Magnetanker 28 in Richtung des (gestrichelt angedeuteten) Vollausschlag V beaufschlagt. Die­ sem Drehmoment wirkt der Permanentmagnet 26 in vorbeschriebe­ ner Art und Weise entgegen. Das Anlegen der Auslösespan­ nung Ua an die Magnetspule 20, die auf den der Zugfeder 43 abgewandten Schenkel 45 des Joches 21 aufgesteckt ist, be­ wirkt ein Aufklappen des Magnetankers 28 in den Vollaus­ schlag V. In der Ausführung gemäß Fig. 3 wird der Magnetan­ ker 28 daher auch als Klappanker bezeichnet.

Claims (4)

1. Schutzschalt-Einrichtung, insbesondere Differenzstrom­ schutzschalter oder Differenzstrom-Zusatz, mit einem magneti­ schen Auslöserelais (6), das einen aus einem beweglich gela­ gerten Magnetanker (28) und einem unbeweglichen Joch (21) ge­ bildeten Eisenkreis (33) sowie eine Magnetspule (20) umfasst, wobei der Wicklungswiderstand (R) der Magnetspule (20) minde­ stens 800 Ω bezogen auf Raumtemperatur (≅ 20°C) beträgt.

2. Schutzschalt-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (20) und der Eisenkreis (33) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Ansprechspannung des Auslöserelais (6) einen Gleichstrom­ betrag von 18 V_DC bezogen auf Raumtemperatur (≅ 20°C) nicht überschreitet.

3. Schutzschalt-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass die Magnetspu­ le (20) und der Eisenkreis (33) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Hubzeit (t) zwischen Anlegen einer Aus­ lösespannung (Ua) an die Magnetspule (20) und erreichtem Vollausschlag (V) des Magnetankers (28) einen Betrag von t = 10 msec nicht überschreitet.

4. Schutzschalt-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ma­ gnetanker (28) mittels einer Federkraft (Ff) gegen die Ma­ gnetkraft (Fm) eines Permanentmagneten (26) derart beauf­ schlagt ist, dass der Magnetanker (28) bei stromloser Magnet­ spule (20) durch eine resultierende Resthaltekraft (Fm-Ff) am Permanentmagneten (26) gehalten ist, deren Betrag das 500 N/kg-fache der Ankermasse in Kilogramm nicht unterschrei­ tet.