DE19943802A1 - Allstromsensitive Fehlerstrom-Schutzeinrichtung und Verfahren zur Erfassung eines Fehlerstroms - Google Patents

Abstract

Um mit nur einem einzigen Summenstromwandler (4) sowohl einen glatten Gleichfehlerstrom als auch einen Wechselfehler strom/pulsierenden Gleichfehlerstrom unabhängig voneinander erfassen zu können, sind zwei Auswerteprinzipien vorgesehen. Zur Erfassung des Wechselfehlerstroms wird das Induktionsprinzip herangezogen und zur Erfassung des Gleichfehlerstroms wird das sogenannte Prinzip der gesteuerten Induktion verwendet. Die Schutzvorrichtung (2) ist charakterisiert durch die bipolare Ansteuerung einer Steuerwicklung (6) mit einem Generator (16). Die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit der Schutzvorrichtung wird durch die Auswahl eines bestimmten Kernmaterials des Summenstromwandlers (2) sowie durch die Anordnung einer speziellen Schaltung erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine allstromsensitive Fehlerstrom- Schutzeinrichtung mit einem Summenstromwandler, mit einer Steuerwicklung um den Summenstromwandler, die mit einem We­ chselspannungsgenerator verbunden ist, und mit einer mit dem Summenstromwandler verbundenen Auswerteeinheit. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erfassung eines Fehler­ stroms mit einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung, bei dem ein glatter Gleichfehlerstrom sowie ein Wechselfehlerstrom/pul­ sierender Gleichfehlerstrom unabhängig voneinander erfasst werden.

Die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung wird in elektrischen An­ lagen zum Schutz des Menschen vor gefährlichen Körperströmen eingesetzt. Sie wird auch als Schutzschalter oder Schutz­ schalterzusatz bezeichnet, je nachdem ob es sich um ein ei­ genständiges Gerät oder einen Zusatzbaustein für ein Schalt­ gerät handelt. Bei den Schutzschaltern unterscheidet man den netzspannungsunabhängigen, sogenannten FI-Schalter (Fehler­ strom-Schutzschalter), von dem netzspannungsabhängigen DI- Schutzschalter (Differenzstrom-Schutzschalter). Beide Typen weisen einen Summenstromwandler auf, durch den die Leiter ei­ nes Leiternetzes geführt sind. Um den Summenstromwandler ist eine Sekundärspule (auch als Steuerwicklung bezeichnet) ge­ wickelt, an die eine Auswerteeinheit angeschlossen ist, wel­ che wiederum mit einem Auslöser verbunden ist. Tritt im Lei­ ternetz ein unzulässiger Fehlerstrom auf, so wird dieser vom Summenstromwandler mit der dazugehörigen Auswerteeinheit er­ fasst. Über den Auslöser wird eine Schaltmechanik betätigt, wodurch die Leiter des Leiternetzes getrennt werden.

Beim Fehlerstrom unterscheidet man zwischen dem glatten Gleichfehlerstrom und dem pulsierenden Gleichfehlerstrom so­ wie dem Wechselfehlerstrom.

Bei Auftreten des pulsierenden Gleichfehlerstroms oder des Wechselfehlerstroms wird in der Sekundärspule eine Spannung induziert, die durch die Auswerteeinheit ausgewertet wird. Zur Erfassung dieser beiden Stromarten kann also die magne­ tische Induktion herangezogen werden.

Bei Auftreten eines glatten Gleichfehlerstroms ist dieses Messprinzip jedoch nicht anwendbar, da sich der magnetische Fluss durch die Sekundärspule nicht ändert und damit keine Spannung induziert wird. Zur Erfassung eines glatten Gleich­ fehlerstroms wird daher nach einem anderen Prinzip verfahren, und zwar wird die Sekundärspule mit einer Wechselspannung be­ aufschlagt, so dass der Kern des Summenstromwandlers wechsel­ weise magnetisiert wird. Der Kern wird also durch die Wech­ selspannung ausgesteuert. Tritt nun ein Gleichfehlerstrom auf, so verschiebt sich die Magnetisierung des Kerns, welche letztendlich von der Auswerteeinheit erfasst wird. Dieses Prinzip ist beispielsweise bekannt, aus dem Artikel "Alle Fehlerströme im Griff" aus DRIVE AND CONTROL, Heft 4/93, S. 22-25 und wird dort als gesteuerte Induktivität bezeichnet.

Zur Erfassung eines glatten Gleichfehlerstroms und eines pul­ sierenden Gleichfehlerstroms/Wechselfehlerstroms werden in der Regel zwei unterschiedliche Erfassungsprinzipien mit ge­ trennten Summenstromwandlern verwendet. Dabei wird ein Er­ fassungsprinzip als pulsstromsensitiv bezeichnet, wenn es zur Erfassung eines Wechselfehlerstroms sowie eines pulsierenden Gleichfehlerstroms ausgelegt ist. Als gleichstromsensitiv wird ein Erfassungsprinzip bezeichnet, wenn es zur Erfassung eines Gleichfehlerstroms geeignet ist. Eine pulsstromsensiti­ ve Erfassung ist sowohl netzspannungsunabhängig als auch netzspannungsabhängig realisierbar, während bei gleichstrom­ sensitiven Erfassungsprinzipien nur netzspannungsabhängige Lösungen in Frage kommen, da praxistaugliche gleichstromsen­ sitive Fehlerstromerfassungsprinzipien eine mit einer Wech­ selspannung angeregte Steuerwicklung aufweisen.

Das Prinzip der gesteuerten Induktivität kann auch bei puls­ stromsensitiven Schutzschaltern eingesetzt werden. Mit diesem Prinzip lassen sich daher alle Arten von Fehlerströmen erfas­ sen. In der DE 36 42 393 A1 wird auf einen nach diesem Prin­ zip arbeitenden DI-Schalter hingewiesen, der als allstromsen­ sitiv bezeichnet wird. Allstromsensitiv bedeutet hierbei je­ doch nicht, dass mit einem Schalter nach dem Prinzip der ge­ steuerten Induktivität die unterschiedlichen Fehlerstromarten unabhängig voneinander erfasst werden können. Durch die Er­ fassung aller Fehlerströme mit nur einem Prinzip wird die Einhaltung der vorschriftenkonformen Auslösebedingungen für die unterschiedlichen Fehlerstromformen wesentlich erschwert.

Um dieses Problem zu umgehen und eine getrennte Erfassung von unterschiedlichen Fehlerstromarten zu ermöglichen, sieht der genannte Artikel "Alle Fehlerströme im Griff" die Anordnung eines FI-Schalters mit einer Zusatzeinheit für die Erfassung von glatten Gleichfehlerströmen vor. Somit wird eine all­ stromsensitive Fehlerstrom-Schutzeinrichtung erhalten, bei der zwei Summenstromwandler mit jeweils zugeordneter Auswer­ teeinheit vorliegen. Dabei arbeitet der erste Summenstrom­ wandler nach dem Induktionsprinzip und der zweite Summen­ stromwandler nach dem Prinzip der gesteuerten Induktivität. Dieser Aufbau weist den Nachteil auf, dass er einen hohen Raumbedarf besitzt und relativ kostenintensiv ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine allstromsen­ sitive Differenzstrom-Schutzeinrichtung anzugeben, welche einfach und kompakt ausgeführt ist. Weiterhin liegt der Er­ findung die Aufgabe zu Grunde, ein einfaches Verfahren zur unabhängigen Erfassung der Fehlerstromarten anzugeben.

Die auf die Schutzvorrichtung bezogene Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bei der Schutzvorrichtung ist dabei zur Erfassung eines glatten Gleichfehlerstroms und eines Wechselfehlerstroms/pulsierenden Gleichfehlerstroms nur ein einziger Summenstromwandler vorge­ sehen. Die unabhängige Erfassung der unterschiedlichen Strom­ arten wird dadurch gewährleistet, dass zur Erfassung des Wechselfehlerstroms/pulsierenden Gleichfehlerstroms die Aus­ werteeinheit zur Auswertung einer in der Steuerwicklung indu­ zierten Spannung ausgebildet ist. Diese beiden Stromarten werden also nach dem Prinzip der magnetischen Induktion er­ fasst. Gleichzeitig ist die Auswerteeinheit zur Erfassung des glatten Gleichfehlerstroms zur Auswertung der durch den Gleichfehlerstrom hervorgerufenen Änderung im Magnetisie­ rungszustand des Kerns des Summenstromwandlers ausgebildet. Die Erfassung eines Gleichfehlerstroms erfolgt daher im We­ sentlichen nach dem Prinzip der gesteuerten Induktivität.

Der wesentliche der Erfindung zu Grunde liegende Gedanke ist darin zu sehen, die zwei unterschiedlichen Messprinzipien gleichzeitig anzuwenden und dabei nur einen Summenstromwand­ ler mit nur einer Sekundärwicklung oder Steuerwicklung vor­ zusehen. Dies hat den Vorteil, dass die Schutzvorrichtung insgesamt wesentlich einfacher und kompakter und damit auch kostengünstiger aufgebaut werden kann. Da zwei unterschied­ liche Messprinzipien herangezogen werden, können die Fehler­ stromarten unabhängig voneinander erfasst werden. Es wird so­ mit die Einhaltung der durch die Vorschriften geforderten Auslösefehlerstromgrenzen gewährleistet.

Im Folgenden wird der Einfachheit halber unter Wechselfehler­ strom sowohl ein Wechselfehlerstrom als auch ein pulsierender Gleichfehlerstrom verstanden.

Vorzugsweise ist das Kernmaterial des Summenstromwandlers derart ausgebildet, dass der glatte Gleichfehlerstrom ober­ halb eines Auslösegleichfehlerstroms zu einer Sättigung des Magnetisierungszustands des Kerns führt, und dass beim Wech­ selfehlerstrom im Bereich eines Auslösewechselfehlerstroms der Magnetisierungszustand unterhalb der Sättigung ist. Unter Auslösefehlerstrom wird dabei der Fehlerstrom verstanden, ab dem der Schutzschalter auslöst, d. h. die Leiter des Leiter­ netzes getrennt werden.

Da der Auslösegleichfehlerstrom zu einer Sättigung des Magne­ tisierungszustands führt, wird an einem Messwiderstand, der der Steuerwicklung nachgeschaltet ist, ein Spannungsanstieg erkennbar. Denn die Induktivität der Steuerwicklung nimmt im Bereich der Sättigung stark ab, was zu einem Absinken des Spulenwiderstands führt. Diese veränderte Charakteristik ist am Messwiderstand erkennbar. Da gleichzeitig der Auslöse­ fehlerwechselstrom keine Aussteuerung bis in die Sättigung bewirkt, ist in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass die beiden Auslösefehlerströme unabhängig voneinander einstellbar sind.

Das Kernmaterial weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine flache Hysterese-Kurve auf. Solche Kerne (Wandlerkerne) werden allgemein als F-Kerne bezeichnet.

Bei gleichstromsensitiven Erfassungsprinzipien werden in der Regel sogenannte Z-Kerne verwendet mit einer relativ steilen, Z-förmigen Hysterese-Kurve. Gegenüber den Z-Kernen bietet der F-Kern eine höhere mechanische Stabilität, so dass sich der F-Kern insbesondere auch für den Einsatz in Geräten mit gro­ ßem Wandlerkerndurchmesser eignet. Zudem wirkt sich die Ver­ wendung eines F-Kerns aufgrund seiner Vormagnetisierungsun­ abhängigkeit günstig auf die unabhängige Erfassung unter­ schiedlicher Fehlerstromarten aus.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kern derart aus­ gestaltet, dass bei einer Feldstärke, die von einem mit dem Faktor 2 gewichteten Bemessungsfehlerstrom hervorgerufen wird, die Hysterese-Kurve in den Sättigungsbereich einzu­ knicken beginnt. Bevorzugt liegt dieser Punkt etwa bei dem 0,7-fachen der magnetischen Sättigungsinduktion. Die B-H- Kennlinie weist im Anschluss an diesen Punkt im Allgemeinen einen Knick zum Sättigungsbereich hin auf. Mit einer der­ artigen Ausgestaltung wird die Anforderung H ≦ 2I_Δn.N1/l_Fe bei der 0,7-fachen Sättigungsinduktion B_S erfüllt. Dabei ist H die magnetische Feldstärke und I_Δn der sogenannte Bemes­ sungsfehlerstrom, der durch Normen bestimmt ist und die Aus­ löseempfindlichkeit des Schutzschalters festlegt. N1 ist wei­ terhin die Primärwicklungszahl, also die Wicklungsanzahl der durch den Summenstromwandler geführten Leiter, und l_Fe ist die Eisenweglänge des Summenstromwandlers.

Mit einem derart ausgestalteten Kern wird der Vorteil er­ zielt, dass bei einem Gleichfehlerstrom, der sich dem doppel­ ten Bemessungsfehlerstrom nähert, der Kern in die Sättigung getrieben wird. Der Kern wird hierbei nämlich zumindest im Bereich des Scheitelwerts seiner Aussteuerung durch die an­ gelegte Wechselspannung in die Sättigung getrieben. Die da­ durch bedingte Änderung in der Impedanzcharakteristik der Spule wird über den Messwiderstand erfasst, so dass der Gleichfehlerstrom zum Auslösen des Schutzschalters führt.

Um gleichzeitig bei Wechselfehlerströmen, die den Auslöse­ fehlerstrom überschreiten, ein sicheres Auslösen der Schutz­ einrichtung zu gewährleisten, weist der Kern im Arbeitsbe­ reich, d. h. bei der Generatorfrequenz, mit der die Steuer­ wicklung beaufschlagt wird, und bei einer Feldstärke von etwa 10 mA/cm, bevorzugt eine relativ hohe Permeabilität ≧ 50 000 auf. Der Arbeitsbereich liegt zur Erfassung des Wechselfeh­ lerstroms weit unterhalb der Sättigungsinduktion. Um eine ausreichend große Induktion in der Steuerwicklung zu errei­ chen, ist eine steil verlaufende B-H-Kennlinie, d. h. die hohe Permeabilität von Vorteil.

Vorzugsweise umfasst die Auswerteeinheit einen Kondensator, der mit der Steuerwicklung einen Parallelresonanzkreis bil­ det, wobei dessen Resonanzfrequenz insbesondere auf die Ge­ neratorfrequenz abgestimmt ist, so dass der Resonanzkreis ei­ nen hochohmigen Widerstand bildet. Bei einer Änderung der In­ duktivität der Spule, hervorgerufen durch eine Änderung in der Magnetisierung, ist die Resonanzbedingung nicht mehr er­ füllt, und der Spulenwiderstand sinkt stark ab. Dies ist am Messwiderstand leicht zu erfassen.

Zur Erhöhung der sogenannten Stoßstromfestigkeit ist vorzugs­ weise parallel zum Resonanzkreis ein spannungsbegrenzendes Element, wie beispielsweise eine Transildiode, sowie ein zwi­ schen Generator und Steuerwicklung angeordnetes Entkopplungs­ glied, insbesondere ein Widerstand, vorgesehen. Damit wird eine Entkopplung zwischen Steuerwicklung und Frequenzgenera­ tor erreicht, so dass störende Rückwirkungen auf den Fre­ quenzgenerator vermieden sind. Solche Rückwirkungen entstehen beispielsweise auf Grund von Überspannungen in der Steuer­ wicklung, hervorgerufen durch hohe Stoßströme, die beispiels­ weise bei Gewitterspannungen durch die Leiter des Netzes fließen.

Für einen möglichst guten Schutz des Generators liegt die An­ sprechspannung des spannungsbegrenzenden Elements nur gering­ fügig oberhalb der Ausgangsspannung des Generators. Die Schutzwirkung tritt daher bereits bei Überspannungen ein, die geringfügig über der Generatorspannung liegen.

In einer zweckdienlichen Ausgestaltung weist die Auswerteein­ heit lediglich einen einzigen Messwiderstand auf. Der gemes­ sene Spannungsabfall am Messwiderstand wird sowohl zur Iden­ tifizierung eines Gleichfehlerstroms als auch zur Identifi­ zierung eines Wechselfehlerstroms herangezogen. Dies erleich­ tert die schaltungstechnische Ausgestaltung.

Um beim Einschalten des Generators und dem damit verbundenen Einschwingverhalten ein Auslösen des Schalters zu vermeiden, ist ein Kurzschlussschalter für den Messwiderstand vorgese­ hen. Die Kurzschlusszeit des Schalters liegt insbesondere un­ ter 10 msec, damit die vorschriftsmäßigen Auslösezeiten nicht überschritten werden. Dies ist insbesondere dann von Bedeu­ tung, wenn beim Einschalten des Schutzschalters gleichzeitig ein hoher Fehlerstrom auftritt, welcher eine schnelle Ab­ schaltung erfordert.

Insbesondere bei großen Durchmessern des Summenstromwandlers ist es von Vorteil, wenn die Generatorfrequenz auf < 100 Hz eingestellt ist. Üblicherweise wird eine Frequenz von etwa 1 kHz eingestellt. Um die gewünschte Aussteuerung des Kerns zu realisieren, ist bei einer großen Eisenlänge eine hohe Am­ perwindungszahl (Strom durch die Steuerwicklung (Steuerstrom) multipliziert mit ihrer Windungszahl) erforderlich. Um die Verlustleistung in einem Netzteil mit dem Wechselspannungs­ generator so gering wie möglich zu halten, wird daher vor­ zugsweise die Windungszahl erhöht und der Steuerstrom so nie­ drig wie möglich gehalten, mit der Folge, dass die Impedanz der Steuerwicklung ansteigt. Durch die Reduzierung der Fre­ quenz wird die Spulenimpedanz wiederum erniedrigt, so dass mit einer für elektronische Bausteine üblichen Spannung von beispielsweise ± 15 V der erforderliche Steuerstrom erzeugt werden kann.

Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird gemäß der Er­ findung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12. Im Hinblick auf das Verfahren sind die besonderen Ausgestal­ tungen und Vorteile in Bezug auf die Schutzvorrichtung sinn­ gemäß zu übertragen.

Von besonderem Vorteil bei dem Verfahren wie auch bei der Schutzeinrichtung ist, dass die Auswerteeinheit zur Erkennung einer Kurzschlusswicklung um den Summenstromwandler geeignet ist. Eine solche Kurzschlusswicklung entsteht beispielsweise dann, wenn aufgrund eines lastseitigen Fehlers in der Isola­ tion eines sogenannten TN-C-S-Netzes ein Kontakt zwischen dem durch den Summenstromwandler geführten N-Leiter und dem Schutzleiter (PE-Leiter) hergestellt ist. Eine solche Kurz­ schlusswicklung hat zur Folge, dass die unter Einwirkung der Kurzschlusswicklung messbare Permeabilität deutlich absinkt. Dies lässt sich eindeutig und einfach am Messwiderstand er­ kennen.

Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der Zeich­ nung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Schutz­ schalters und

Fig. 2 eine schematische B-H-Kennlinie.

Gemäß Fig. 1 umfasst eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung 2 ei­ nen Summenstromwandler 4, eine um den Summenstromwandler 4 gewickelte Steuerwicklung 6, eine Auswerteeinheit 8, einen Schaltmechanismus 10 sowie ein Netzteil 12.

Durch den Summenstromwandler 4 sind Leiter L1-L3,N (N für Nullleiter) geführt. Über den Schaltmechanismus 10 können die Leiter L1-L3,N getrennt werden. Im ordnungsgemäßen Zustand, d. h. wenn im Leiternetz kein Fehlerstrom auftritt, ist die Summe der durch den Summenstromwandler 2 fließenden Ströme gleich Null. Eine Abweichung hiervon indiziert, dass ein Feh­ lerstrom vorliegt.

Das Netzteil 12 versorgt die Auswerteeinheit 8 mit Strom. Die Schutzeinrichtung ist daher als DI-Schutzschalter ausgebil­ det. Durch die spezielle schaltungstechnische Anordnung der Auswerteeinheit 8 ermöglicht diese, bei nur einem Summen­ stromwandler 4 und nur einer um den Summenstromwandler 4 ge­ legten Steuerwicklung 6 sowohl glatte Gleichfehlerströme als auch Wechselfehlerströme/pulsierende Gleichfehlerströme (im Folgenden kurz als Wechselfehlerströme bezeichnet) zu erfas­ sen. Sobald die Auswerteeinheit 8 einen Fehlerstrom identi­ fiziert, der einen bestimmten, vorzugsweise einstellbaren Grenzwert, den sogenannten Auslösefehlerstrom, überschreitet, wirkt die Auswerteeinheit 8 über einen Auslöser 14 auf den Schaltmechanismus 10 und trennt die Leiter L1-L3, N.

Die Auswerteeinheit 8 weist einen Generator 16 auf, der eine Wechselspannung und insbesondere eine sinusförmige Wechsel­ spannung bereitstellt. Der Ausgangswiderstand des Genera­ tors 16 ist dabei niederohmig, um eine Spannungseinprägung zu realisieren. Der Generator 16 versorgt die Steuerwicklung 6 mit der Sinusspannung. Dies führt zu einer wechselweisen Ma­ gnetisierung des Kerns 18 des Summenstromwandlers 4. Der Kern 18 (auch als Wandlerkern bezeichnet) befindet sich also in einem wechselmagnetisierten Zustand, wobei sich die Magne­ tisierung mit der vom Generator 16 bereitgestellten Genera­ torfrequenz periodisch ändert. Parallel zur Steuerwicklung 6 ist ein Kondensator 20 geschaltet, der zusammen mit der Steu­ erwicklung 6 einen Parallelresonanzkreis bildet. Dieser ist insbesondere auf die Generatorfrequenz abgestimmt, so dass der Parallelresonanzkreis im normalen Betriebszustand, wenn kein Fehlerstrom vorliegt, einen hochohmigen Widerstand bil­ det.

In Serie zum Parallelresonanzkreis ist ein Messwiderstand 22 angeordnet. Der Spannungsabfall am Messwiderstand 22 wird in einer Auswerteschaltung 24 ausgewertet. Bei Vorliegen eines Auslösekriteriums wirkt die Auswerteschaltung 24 auf den Aus­ löser 14 ein, welcher den Schaltmechanismus 10 betätigt.

Die wesentlichen Bestandteile der Auswerteeinheit 8 zur unab­ hängigen Erfassung von glatten Gleichfehlerströmen sowie Wechselfehlerströmen sind der Generator 16, der von der Steu­ erwicklung 6 und dem Kondensator 20 gebildete Parallelreso­ nanzkreis sowie der Messwiderstand 22. Der Generator 16 sorgt für eine bipolare Aussteuerung der Steuerwicklung 6. Die Wir­ kungsweise lässt sich folgendermaßen erläutern: Im Normal­ fall, d. h. wenn keine Fehlerströme durch den Summenstromwand­ ler 4 fließen, bildet der Parallelresonanzkreis einen hoch­ ohmigen Widerstand, so dass der Spannungsabfall am Messwider­ stand 22 nahezu Null ist. Der Messwiderstand 22 ist im Ver­ gleich zum Parallelresonanzkreis niederohmig ausgebildet. Bei Auftreten eines glatten Gleichfehlerstroms verschiebt sich die Magnetisierung des Kerns 18 und erreicht eine Sättigung, wenn der Gleichfehlerstrom einen Grenzwert überschreitet. Im Sättigungszustand ist die Permeabilität deutlich niedriger und damit auch die Induktivität der Steuerwicklung 6. Damit verschiebt sich die Resonanzfrequenz des Parallelresonanz­ kreises. Die Resonanzbedingung ist nicht mehr erfüllt und der Widerstand der Spule verringert sich deutlich. Der Parallel­ resonanzkreis ist also insgesamt niederohmiger, so dass die Spannung am Messwiderstand 22 messbar erhöht ist.

Zur Erfassung des Wechselfehlerstroms wird im Gegensatz zur Erfassung des glatten Gleichfehlerstroms die Sättigungsgrenze des Kerns 18 nicht überschritten. Damit wird gewährleistet, dass die beiden Fehlerstromarten, nämlich der glatte Gleich­ fehlerstrom und der Wechselfehlerstrom, unabhängig voneinan­ der erfasst werden. Die Erfassung des Wechselfehlerstroms be­ ruht dabei auf dem Induktionsprinzip. Bei Auftreten eines Wechselfehlerstroms wird in der Steuerwicklung 6 eine Span­ nung induziert. Die Steuerwicklung 6 bildet also eine zusätz­ liche Spannungsquelle neben dem Generator 16. Dies führt am Messwiderstand 22 zu einem veränderten Spannungsabfall, der von der Auswerteschaltung 24 erfasst wird.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist darin zu sehen, dass die Auslösewechselfehlerströme, also die Wechselfehlerströme, ab denen der Schutzschalter auslöst, nicht zu einer Sättigung der Magnetisierung führen. Da die Auslösegleichfehlerströme eine solche Sättigung bewirken, können glatte Gleichfehler­ ströme und Wechselfehlerströme/pulsierende Gleichfehlerströme unabhängig voneinander erfasst werden. Unabhängig bedeutet hierbei, dass der Auslösewechselfehlerstrom unabhängig ist von überlagerten Gleichfehlerströmen bis knapp unterhalb der Auslösegrenze (also unterhalb des Auslösegleichfehlerstroms). Erst bei einem Gleichfehlerstrom knapp unterhalb der Auslöse­ grenze, der eine Auslösung noch nicht bewirkt, ist der Aus­ lösewechselfehlerstrom kleiner, wenn gleichzeitig ein Wech­ selfehlerstrom auftritt. Dies ist dadurch bedingt, dass durch die Überlagerung der beiden Fehlerströme die Sättigungsgrenze überschritten wird, so dass der Schutzschalter bei einem nie­ drigen Auslösewechselfehlerstrom auslöst. Nur in diesem Spe­ zialfall gehen also die beiden Erfassungsprinzipien, nämlich das Induktionsprinzip und das Prinzip der gesteuerten Induk­ tivität (auch als Prinzip der Feldstärkeüberhöhung bezeich­ net) ineinander über. Für den Fall, dass die Dimensionierung so erfolgt, dass der Auslösegleichfehlerstrom in etwa in der Mitte des durch Normen festgelegten zulässigen Bereiches liegt, ist dieser Spezialfall für die Praxis ohne Belang und verursacht bezüglich der Einhaltung der Auslösefehlerstrom­ grenzen nach Vorschrift keine Probleme.

Neben den bereits beschriebenen Elementen weist die Auswerte­ einheit 8 weiterhin ein Entkopplungsglied 26, beispielsweise einen ohmschen Widerstand, ein spannungsbegrenzendes Ele­ ment 28, beispielsweise eine Transildiode, sowie einen Kurz­ schlusschalter 30 auf. Das spannungsbegrenzende Element 28 ist bidirektional ausgestaltet und parallel zum Parallelre­ sonanzkreis geschaltet. Die Transildiode ist insbesondere für hohe Spannungen und Ströme ausgelegt und ist daher geeignet, die Schaltanordnung stoßstromfest auszuführen. Die Stoßstrom­ festigkeit wird durch die Anordnung der Transildiode in Kom­ bination mit dem Entkopplungsglied 26 erreicht, über das die Spannungsquelle, nämlich der Generator 16, von der Steuer­ wicklung 6 entkoppelt wird. Die Stoßstromfestigkeit ist ins­ besondere in Industrieanlagen erforderlich, bei denen hohe Stoßströme in den Leitern L1-L3,N auftreten können. Ein sol­ cher Stoßstrom induziert in der Steuerwicklung 6 eine Span­ nung, welche durch die Transildiode auf deren Stoßansprech­ spannung begrenzt wird. Ohne Entkopplung des Generators 16 würde diese Stoßansprechspannung eine äußerst störende Rück­ wirkung zum Generator 16 bilden. Das Entkopplungsglied 26 wirkt daher als ein Dämpfungsglied. Sein Widerstand sollte deutlich unterhalb des Widerstands des Parallelresonanzkrei­ ses im Falle der Resonanzfrequenz sein, um die Spannungsein­ prägung des Generators auf die Steuerwicklung zu gewährlei­ sten, und um bei Auftreten eines Gleichfehlerstroms ein deut­ liches Messsignal am Messwiderstand 22 zu erhalten.

Da der Generator 16 beim Einschalten eine gewisse Zeit benö­ tigt, um eine gleichmäßige Sinus-Wechselspannung bereitzu­ stellen, muss während der Dauer des Einschwingvorgangs ge­ währleistet sein, dass der Schalter nicht auslöst. Hierzu ist der Kurzschlussschalter 30 vorgesehen, der den Messwider­ stand 22 während des Einschwingvorgangs überbrückt. Die Kurz­ schlusszeit liegt dabei insbesondere deutlich unterhalb der minimalen Auslösezeitgrenze bei Auftreten eines Auslösefeh­ lerstroms. Damit ist gewährleistet, dass der DI-Schutzschal­ ter auch beim Einschaltvorgang innerhalb der vorgeschriebenen Zeiten auslöst. Der Kurzschlussschalter 30 ist bevorzugt als Transistor ausgebildet und besitzt eine Kurzschlusszeit, die vorzugsweise bei ≦ 10 msec liegt.

In Fig. 2 ist die magnetische Induktion B gegenüber der magne­ tischen Feldstärke H aufgetragen. Die durchgezogene Linie entspricht dem typischen B-H-Verlauf eines Kerns 14 mit einer flachen Hysterese-Kurve. Ein solcher Kern wird allgemein als F-Kern bezeichnet. Zum Vergleich ist in Fig. 2 die typische Kennlinie eines sogenannten Z-Kerns gestrichelt dargestellt. Die B-H-Kennlinie des Z-Kernes ist im Bereich kleinerer Feld­ stärken unterhalb der Sättigung stark abhängig von der Vorma­ gnetisierung und von mechanischen Spannungen im Kern. Kenn­ linie 1 zeigt den Verlauf im entmagnetisierten Zustand, Kenn­ linie 2 im aufmagnetisierten Zustand. Aufgrund des undefi­ nierten Verlaufes der B-H-Kennlinie im unteren Feldstärkebe­ reich ist der Z-Kern für die Anwendung des Induktionsprin­ zipes im Bereich unterhalb der Sättigung zur Fehlerstromer­ fassung nicht geeignet. Die Steigung der B-H-Kurve wird von der feldstärkeabhängigen Permeabilität bestimmt. Während bei kleinen Feldstärken die Permeabilität mit zunehmender Feld­ stärke annähernd konstant bleibt, oder ansteigt, fällt sie bei großen Feldstärken, wenn die Sättigungsinduktion B_S er­ reicht wird, stark ab. Wenn die Induktion das 0,7-fache der Sättigungsinduktion B_S überschreitet, beginnt die B-H-Kenn­ linie abzuknicken bzw. die Permeabilität abzufallen.

Die von einem Fehlerstrom hervorgerufene magnetische Feld­ stärke H ist proportional zu dem Fehlerstrom. Der Kern 18 des Summenstromwandlers 2 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass bei Erreichen des Auslösegleichfehlerstroms die Magneti­ sierung beginnt in den Sättigungszustand überzugehen. Der Auslösegleichfehlerstrom ist korreliert mit dem sogenannten Bemessungsfehlerstrom I_Δn. Letzterer ist durch Normen festge­ legt und definiert die Auslöseempfindlichkeit eines Schutz­ schalters. Die Bemessungsfehlerströme I_Δn betragen für unter­ schiedliche Schutzschalter beispielsweise 30 mA, 300 mA oder 500 mA. In Abhängigkeit des Bemessungsfehlerstroms I_Δn ist zugleich über Normen festgelegt, in welchem Bereich der Aus­ lösefehlerstrom liegen muss, damit der Schutzschalter die Norm erfüllt. Für Wechselfehlerströme ist der Auslösebereich auf das 0,5-fache bis 1-fache des Bemessungsfehlerstroms I_Δn, festgelegt. Glatten Gleichfehlerströmen ist demgegenüber ein Auslösebereich vom 0,5 bis zum 2-fachen des Bemessungsfeh­ lerstroms I_Δn zugeordnet. Bei glatten Gleichfehlerströmen wird daher bei gleichem Bemessungsfehlerstrom I_Δn ein im Ver­ gleich zu Wechselfehlerströmen doppelt so hoher Auslösefeh­ lerstrom toleriert.

Für die Erfassung des Gleichfehlerstromes wird der Kern 18 bis in die beginnende Sättigung ausgesteuert. Die für die Aussteuerung des Kerns 18 ursächliche Feldstärke H_ges setzt sich zusammen aus der Feldstärke H_S, die durch den in der Steuerwicklung 6 fließenden Steuerstrom I_s erzeugt wird, und der durch den Gleichfehlerstrom verursachten Feldstärke H_i. Im Hinblick auf die maximale Auslösegrenze beträgt letztere maximal H_imax = 2.I_Δn.N1/l_Fe. N1 entspricht hierbei der Pri­ märwindungszahl bzw. der Windungszahl der Leiter des Netzes L1-L3, N am Summenstromwandler und l_Fe der Eisenweglänge des Kerns 18. Die durch den Generator 16 über die Steuerwick­ lung 6 verursachte Aussteuerung des Kernes 18 wird aus Grün­ den der Temperaturabhängigkeit der B-H-Kennlinie des Kernes im Vergleich zu der durch den Auslösefehlerstrom erzeugten Feldstärke vorteilhafterweise gering gehalten. Hierzu genügt der Kern 18 der Bedingung H ≦ 2.I_Δn.N1/l_Fe bei dem 0, 7-fa­ chen der Sättigungsinduktion, so dass die beginnende Sätti­ gung bei einem vorgegebenen Nennfehlerstrom erreicht wird.

Da die Auslösegrenze für Wechselfehlerströme im linearen Be­ reich der B-H-Kurve liegt, ist ein ausreichend steiler An­ stieg der Kurve wünschenswert, um bei Auftreten eines Wech­ selfehlerstroms eine ausreichend hohe magnetische Induktion B zu erzielen, um ein eindeutiges Messsignal am Messwider­ stand 22 zu erhalten. Hierzu sollte zur Erfassung von Fehler­ strömen bis einschließlich 3A Nennfehlerstrom die Permeabili­ tät im Arbeitspunkt, also typischerweise bei einer magneti­ schen Feldstärke H von 10 mA/cm, ≧ 50 000 sein. Als vorteil­ haft hat sich beispielsweise bei 300 mA Nennfehlerstrom ein Bereich zwischen 110 000 und 160 000 herausgestellt. Die Werte sind jeweils bezogen auf die Frequenz des Generators 16.

Die Kombination dieser Anforderung, nämlich zum einen die Hö­ he der Permeabilität und zum anderen die Lage des Knickpunkts in der B-H-Kennlinie, lassen sich mit dem F-Kern in vorteil­ hafter Weise erzielen. Zusätzlich ist der F-Kern gegenüber dem bei einem DI-Schalter üblicherweise verwendeten Z-Kern mechanisch stabiler. Dies ermöglicht den problemlosen Einsatz eines F-Kerns in Summenstromwandlern 2 mit großem Durchmesser des Kerns 18, wie sie bei Leitern L1 bis L3,N notwendig sind, die für hohe Nennströme, beispielsweise < 100A, ausgelegt sind und daher einen großen Leiterquerschnitt aufweisen. Ein großer Kerndurchmesser und eine hohe Permeabilität (50 000) führen dazu, dass die Induktivität und damit die Impedanz der Steuerwicklung 6 stark ansteigt. Um einen ausreichend großen Steuerstrom durch die Steuerwicklung 6 zu führen, muss die Generatorspannung entsprechend groß sein. Um die Generator­ spannung niedrig zu halten, wird der Generator vorzugsweise mit einer relativ niedrigen Frequenz, beispielsweise ≦ 100 Hz, betrieben. Diese Frequenz liegt bei herkömmlichen Schutzschaltern für die Erfassung von glatten Gleichfehler­ strömen deutlich höher und etwa im Bereich von 1 kHz.

Die beschriebene Schaltungsanordnung ermöglicht in Verbindung mit der Auswahl des speziellen Kernmaterials ein sicheres Er­ fassen von glatten Gleichfehlerströmen und Wechselfehlerströ­ men/pulsierenden Gleichfehlerströmen, wobei auf Grund der beiden unterschiedlichen Auswerteprinzipien die verschiedenen Stromarten unabhängig voneinander erfasst werden können.

Sie eignet sich darüber hinaus in vorteilhafterweise auch für die Erfassung einer Kurzschlusswicklung um den Summenstrom­ wandler 4. Eine solche Kurzschlusswicklung tritt beispiels­ wiese in einem TN-C-S-Netz bei einem lastseitigen Kontakt zwischen dem durch den Summenstromwandler 4 geführten Null­ leiter N und dem außen am Summenstromwandler vorbeigeführten Schutz-/PE-Leiter im Fehlerfall auf. Der in der Kurzschluss­ wicklung induzierte Strom wirkt der über die Steuerwicklung 6 erzeugten Erregung entgegen. Die für die Kernaussteuerung wirksame Feldstärke wird dadurch stark verringert. Die unter Einwirkung der Kurzschlusswicklung messbare B-H Kennlinie verläuft also sehr flach, und die von der Auswerteeinheit über den Spannungsabfall am Messwiderstand 22 erfassbare Per­ meabilität wird stark reduziert bzw. tendiert bei einer sehr niederohmigen Kurzschlusswicklung gegen 1.

Claims (13)

1. Allstromsensitive Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (2) mit einem Summenstromwandler (4), mit einer Steuerwicklung (6) um den Summenstromwandler (4), die mit einem Wechselspannungs- Generator (16) verbunden ist, und mit einer mit dem Summen­ stromwandler (4) verbundenen Auswerteeinheit (8), da­ durch gekennzeichnet, dass zur unabhängigen Erfassung eines glatten Gleichfehlerstroms und eines Wechselfehlerstroms/pulsierenden Gleichfehlerstroms ein einziger Summenstromwandler (4) vorgesehen ist, dass zur Erfassung des Wechselfehlerstroms/pulsierenden Gleichfehler­ stroms die Auswerteeinheit (8) zur Auswertung einer in der Steuerwicklung (6) induzierten Spannung ausgebildet ist, und dass zur Erfassung des glatten Gleichfehlerstroms die Auswer­ teeinheit (8) zur Auswertung der durch den Gleichfehlerstrom hervorgerufene Änderung im Magnetisierungszustand des Kerns (18) des Summenstromwandlers (4) ausgebildet ist.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Kerns (18) derart beschaffen ist, dass der glatte Gleich­ fehlerstrom oberhalb eines Auslösegleichfehlerstroms zu einer Sättigung des Magnetisierungszustands des Kerns (18) führt, und dass beim Wechselfehlerstrom/pulsierenden Gleichfehler­ strom im Bereich eines Auslösewechselfehlerstroms der Magne­ tisierungszustand unterhalb der Sättigung ist.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass die B-H-Kennlinie des Kerns (18) bezogen auf die Frequenz des Generators (16) derart verläuft, dass bei einer Feldstär­ ke (H_i), die von einem mit dem Faktor 2 gewichteten Bemes­ sungsfehlerstrom (I_Δn) hervorgerufen wird, die Hysterese- Kurve in den Sättigungsbereich einzuknicken beginnt.

4. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (18) bei der Frequenz des Generators (16) und bei einer Feldstärke (H) von etwa 10 mA/cm eine Permeabilität ≧ 50 000 aufweist.

5. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (18) als F-Kern mit einer flachen Hysterese- Kurve ausgebildet ist.

6. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) einen Kondensator (20) um­ fasst, der mit der Steuerwicklung (6) einen Parallelresonanz­ kreis bildet, dessen Resonanzfrequenz insbesondere auf die Generatorfrequenz (f_gen) abgestimmt ist.

7. Schutzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Resonanzkreis ein spannungsbegrenzendes Element (28), insbe­ sondere eine Transildiode, sowie zwischen Generator (16) und Steuerwicklung (6) ein Entkopplungsglied (26), insbesondere ein Widerstand, vorgesehen sind.

8. Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansprech­ spannung des spannungsbegrenzenden Elements (28) geringfügig oberhalb der Ausgangsspannung des Generators (16) liegt.

9. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) zum Erkennen sowohl des glat­ ten Gleichfehlerstroms als auch des Wechselfehler­ stroms/pulsierenden Gleichfehlerstroms einen gemeinsamen Messwiderstand (22) aufweist.

10. Schutzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwider­ stand (22) über einen Kurzschlussschalter (30), insbesondere über einen Transistor, kurzzeitig kurzschließbar ist, wobei die Kurzschlusszeit insbesondere kleiner oder gleich 10 msec ist.

11. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeich­ net, dass die Frequenz des Generators (16) ≦ 100 Hz beträgt.

12. Verfahren zur Erfassung eines Fehlerstroms mit einer Feh­ lerstrom-Schutzeinrichtung (2), bei dem ein glatter Gleich­ fehlerstrom sowie ein Wechselfehlerstrom/pulsierender Gleich­ fehlerstrom unabhängig voneinander erfasst werden, da­ durch gekennzeichnet, dass zur Fehlerstromerfassung ein einziger Summenstromwandler (4) mit einer Steuerwicklung (6) herangezogen wird, welche mit einer Wechselspannung versorgt wird, und dass zur Erfassung des glatten Gleichfehlerstroms die durch den Gleichfehler­ strom hervorgerufene Änderung im Magnetisierungszustand des Kerns (18) des Summenstromwandlers (4) von einer Auswerteein­ heit (8) ausgewertet wird, und dass zur Erfassung des Wech­ selfehlerstroms/pulsierenden Gleichfehlerstroms die durch diesen Fehlerstrom in der Steuerwicklung (6) induzierte Span­ nung ausgewertet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Auswerteein­ heit (8) zur Erkennung einer Kurzschlusswicklung um den Sum­ menstromwandler (4) herangezogen wird.