DE2338785A1

DE2338785A1 - Fehlerschutzschaltung fuer ein elektrisches versorgungsnetz zur erkennung eines unerwuenschten zweiten erdschlusses an einem leiter auf der lastseite der schaltung

Info

Publication number: DE2338785A1
Application number: DE19732338785
Authority: DE
Inventors: James R Montz
Original assignee: AMF Inc
Current assignee: AMF Inc
Priority date: 1972-11-28
Filing date: 1973-07-31
Publication date: 1974-05-30
Also published as: CA978639A; FR2208222A1; JPS4978855A; US3800189A; GB1389529A; IT994245B

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. ^eickmann, 2338785

Dipl.-Ing. H.Weickmakn, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Tng. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

. 8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 4S 39 21/22

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AMP IiTCORPORATEl), 777 Westehester Avenue, White Plains, New York 10604, Y.St.A.

Fehlerschutzschaltung für ein elektrisches Versorgungsnetz zur Erkennung eines unerwünschten aweiten Erdschlusses an einem leiter auf der Lastseite der Schaltung.

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Feststellen einer Störung durch Erdschluß in einem Stromversorgungssysteme

In den letzten Jahren sind bereits viele Vorschläge gemacht worden, um Menschen und Einrichtungen su schützen, die unabsichtlich mit einer stromführenden Leitung eines elektrischen Netzes in Berührung kommen oder die infolge eines Fehlers in dem elektrischen Netz unerwartet einer hohen Spannung ausgesetzt werden und dadurch einen Schock und Schaden erleiden. Einrichtungen, die als Stromunterbrecher bei Erdschluß (GFCl) bekannt sind, dienen in elektrischen Versorgungssystemen als Schutz für Menschen, Maschinen und andere Einrichtungen. Viele dieser Einrichtungen verwenden einen Differentialtransformator, dessen Primärwicklungen die stromführenden Leiter des Netzes darstellen und dessen Sekundärwicklung mit der Erdschlußanzeigeschaltung verbunden ist. Wenn kein Fehler auf den Leitungen des Systems vorhanden ist, ist der zur Last fließende Strom gleich dem zur Stromquelle zurückkehrenden Strom. Die gleichen Ströme in den Primärwicklungen des Transformators induzieren gleiche, entgegengerichtete Magnetfelder in dem Transformatorkern und auf die Sekundärwicklung wird kein Signal übertragen.

Wenn in dem System ein Fehler auftritt, beispielsweise venxi

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ein Mensch unbeabsichtigt zwischen eine stromführende Leitung und Erde gerät, sind die Ströme in den Primärwicklungen des !Transformators nicht mehr gleich und demzufolge entsteht ein Magnetfluß in den Transformatorkern. Dieeer Magnetfluß induziert in der Sekundärwicklung ein Signal, das einen Stromunterbrecher betätigt, um die Leitungen des Systems zu unterbrechen.

Stromunterbrecher bei Störung durch Erdschluß der oben beschriebenen Art bieten zwar für viele, aber nicht für alle Ar ten von möglichen Fehlern Schutz. Eine Fehlerart, die durch den oben beschriebenen Typ einer Schutzschaltung nicht festgestellt wird, ist, wenn der Nulleiter des Netzes absichtlich oder unbeabsichtigt auf der Lastseite der Schutzschaltung geerdet wird. Eine absichtliche Erdung kann erfolgen, wenn ein Elektriker, Installateur oder Hauseigentümer eine elektrische Vorschrift verletzt, die ja meistens eine Erdverbindung verbietet. Wenn in einer solchen Situation ein geerdeter Mensch mit der "heißen" Leitung des Versorgungssyetems auf der Lastseite des GFGI in Kontakt kommt, fließt Strom durch seinen Körper Eur Erde. Dieser Strom muß jedoch nicht unbedingt ausschließlich durch Erde zum Erdschluß des Nulleiters, der sich an der Stromquelle befindet, fließen, wenn man annimmt, daß der Nulleiter stets an der Stromquelle geerdet ist, wie dies in der Praxis Üblich. Es kann auch vorkommen, daß ein Teil des Stromes, der durch den Körper zur Erde fließt, zu der zweiten falschen, unbeabsichtigten Erdung an der Lasteeite fließt und durch den Nulleiter zur Stromquelle zurückkehrt, der eine Primärwicklung des GFCI-Transformators darstellt. In dieser Situation ist das Ungleichgewicht der Ströme in den Primärwicklungen des GPGI nicht von ausreichender Höhe, um die Erdschlußanzeigeschaltung des GFCI zu aktivieren. Der betroffene Mensch kann folglich Schaden oder einen schlimmen Schock erleiden.

Die Erfindung will eine Schaltung schaffen, die anzeigt, wenn der Nulleiter eines elektrischen Versorgungsnetzes auf der

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Lastseite eines herkömmlichen Stromunterbrechers bei Erdschluß geerdet wird. Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß ein Hoehfrequenzoszillator an beide Leiter eines Zweileitersystem im abgeglichenen Zustand angekoppelt. Die Koppelung erfolgt, indem man die Spule des Schwingungskreises de3 Oszillators als Primärwicklung auf einen Sransforraatorkern wickelt und die beiden Leiter des Versorgungsnetzes als Sekundärwicklungen mit dem Kern koppelt. Da das Oszillatorsignal an die beiden Sekundärwicklungen im Gleichgewicht gekoppelt wird, d.h. auf den beiden Leitern gegensinnig in Reihe ist und sich kompensiert, ist auf den beiden Leitern bei Fehlen eines Erdschlusses auf der Laetseite des Kerns und beim Fehlen eines fehlerhaften oder unbeabsichtigten Erdschlusses auf dem Nullleiter an der Lastseite des Kerns kein Oszillatorsignal vorhanden. Wenn jedoch der Nulleiter auf der Lastseite falsch geerdet wird, fließt ein Oszillatorstrom durch den Nulleiter zu dem falschen Erdschluß. Dieser Zustand stellt, eine Impedanzänderung in dem angekoppelten Sekundärkreis des Transformators dar und diese Impedanzänderung wird zum Primärkreis des 5?ransforiaators zurlickreflektiert und ändert die effektive Impedanz des Schwingungskreises des Oszillators. Der Oszillator ist so konstruiert und angeordnet, daß eine Änderung der effektiven Impedanz des Schwingungskreises eine merkliche Änderung der Größe des Ossillatorausgangssignals hervorruft. Durch die Änderung des Oszillator-Ausgangs signals wird eine Detektorschaltung angeregt, die direkt an den Oszillator angeschlossen ist, und betätigt einen Stromunterbrecher, der die Leiter von der Stromquelle trennt. Obwohl also kein wirklicher Fehler vorhanden sein mag und das System sonst im Betrieb bliebe, weil ein herkömmlicher Erdschluß-Stromunterbrecher nicht ausgelöst würde, löst die erfindungsgemäße Schaltung einen Stromunterbrecher aus.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur. Diese zeigt ein Schaltbild der erfindungs-

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gemäßen Anzeigeschaltung für einen Erdschluß des liulleitere und deren funktioneile Verbindung mit einem Stromunterbrecher bei fehlerhaftem Erdschluß, die mehr übliche Fehlerarten feststellt .

Die Erfindung wird für ein einphasiges Zweileiternetz beschrieben, lies iet jßdoch nur ein Beispiel für ein Stromversorgungesystera, in dem die Erfindung verwendbar ist. Selbstverständlich können auch andere Arten von Versorgungssystemen durch die erfindungsgemäße Schaltung geschützt werden.

Eine Stromquelle 10 ist mit Leitern 11 und 12 verbunden und liefert Strom von beispielsweise 120 V und 60 Hz an die beiden Leiter. Die Stromquelle 10 ist, wie dargestellt, geerdet, so daß der Leiter 11 der "heiße" Leiter und 12 der Nulleiter ist. In dein Leiter 11 liegt ein .!Trennschalter 15, der mit einem Mechanismus 16 verbunden ist, welcher von einem Solenoid 17 betätigt wird. Der gesamte Trennschalter ist von bekannter Art und läßt sich von Hand schließen. Bei Erregung des Solenoids 17 öffnet er den Unterbrecherkontakt und trennt so die Stromquelle 10 von den Leitern 11 und 12. Zweckmäßigerweise ist der Trennschalter von dem gemeinhin verwendeten Typ mit einem Rückstellmechanismus 18 mit Übertotpunkt-Kipphebel, der die Unterbrecherkontakte nicht schließen kann, solange das Solenoid 17 erregt bleibt. Das Solenoid 17 ist an den Ausgang eines Brückengleichrichters 20 angeschlossen, dessen Eingang zwischen den Leitern 11 und 12 liegt. Im normalen Betrieb ist das Solenoid 17 nicht ausreichend erregt, um den Stromunterbrecher zu betätigen, da sein Strompfad mit dem Brückengleichrichter 20 einen siliziumgesteuerten Gleichrichter 21 enthält, der normalerweise nichtleitend ist.

Die Last 25 des Stromnetzes ist an die rechten Enden der Leiter 11 und 12 angeschlossen. Elektrische Schaltvorschriften verbieten, daß der Nulleiter 12 auf seiner Lastseite geerdet wird. Jedoch kann, wie oben erwähnt, der Nulleiter 12 absicht-

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lieh oder unbeabsichtigt auf seiner Lastseite geerdet werden, wie dieo durch das gestrichelte Erdungssymbol 26 angedeutet ist.

Der möglicherweise gefährliche zweite Erdschluß 26 am Nulleiter 12 wird von der erfindungsgemäßen Schaltung angezeigt, die einen Oezillatorkreis 30 umfaßt, der als Colpitts-Oszillator dargestellt ist. Der Ossiilator umfaßt einen Transistor Q- und einen Schwingkreis mit einer Wicklung 32 und Kondensatoren 33 und 34, die zwischen den Kollektor und die Stromzuleitung zum Transistor Q.. gelegt sind. Die Emitterelektrode des Transistors Q- ist mit deia Knotenpunkt zwischen den beiden Kondensatoren 33 und 34 verbunden. Widerstände R-i-R/ sind Vorspannungßwiderstände. Die Wicklung 32, die das induktive Element des Schwingkreises des Oszillators 30 ist, ist als Primärwicklung auf einen Ringkern 37 eines Transformators gewickelt. Die leiter 11 und 12 sind durch den Ringkern 37 geführt und sind verhältnismäßig fest magnetisch mit diesem gekoppelt, so daß sie Sekundärwicklungen auf dem Transformatorkern 37 bilden. Die Wicklungen sind auf dem Ringkern 37 derart angeordnet, daß die Primärwicklung 32 die Sekundärwicklungsleiter 11 und 12 im Gleichgewicht erregt. Das heißt, die das Oszillatorsignal bildenden Spannungen werden auf den Leitern 11 und 12 gegensinnig in Reihe induziert, so daß sie sich kompensieren. Bei Fehlen eines zweiten Erdschlusses 26 auf dem Nulleiter 12 wird daher auf den Leitern 11 und 12 infolge der abgeglichenen Ankoppelung kein Oszillatorsignal vorhanden sein. Die Schwingungsfrequenz des Oszillators ist nicht kritisch. In einer erfolgreich arbeitenden Schaltung wurde eine Oszillatorfrequenz von 20 kHz verwendet.

Wenn der eben beschriebene Zustand herrscht, d.h. wenn der Nulleiter 12 auf der Lastseite des Kerne 37 nicht geerdet ist, schwingt der Oszillator 30 mit einer vorgegebenen Frequenz und das Ausgangssignal hat eine bestimmte Größe. Das

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Oszillatorsignal iat durch einen isolierenden Widerstand Rc an einen Spitzendetektor angekoppelt, den es auflädt. Der Spitzendetektor "besteht aus einer Diode 41, einem Kondensator 42 und einem Widerstand 43. Der Kondensator 42 und der Widerstand 43 bilden einen Kreis mit langer Zeitkonstanten, der mit der Steuerelektrode eines Unijunction-Transistors Q« ver-.bunden ist. Die Gleichspannung an der Steuerelektrode des Unijunction-Transistors Q₂ wird von dem Spitzendetektor geliefert. Von einem Spannungsteiler, der von Widerständen 44 und 45 gebildet wird, die zwischen dem positiven und negativen Pol einer Speisegleichspannung liegen, wird ein Kleinstwert der Vorspannung vorgesehen. Die Anodenelektrode des Unijunction-Transistors Qp ist mit einem Spannungsteiler verbunden, der von Widerständen 46 und 48 gebildet wird, die an der Gleichspannungsquelle liegen. Der Widerstand 48 und ein Kondensator 49 bilden einen Zeitkonstantenkreis, der noch beschrieben wird. Die Parameter der zum Unijunction-Transistor Q₂■gehörigen Schaltungselemente sind so gewählt, daß dieser normalerweise nichtleitend ist, wenn der Oszillator 30 sein normales Ausgangssignal einer ersten Größe in Abwesenheit eines Erdschlusses 26 am Nulleiter 12 erzeugt.

Die Kathodenelektrode des Unijunction-Transistors Q₂ ist an die Gitterelektrode dee siliziumgesteuerten Gleichrichters 21 angeschlossen, der im Sperrzustand ist, wenn der Unijunction-Transistor Q« nichtleitend ist. Wie oben erwähnt, betätigt das Solenoid 17 unter diesen Umständen den Mechanismus 16 des Trennschalters zum Abtrennen des leiters 11 nicht.

Betrachten wird nun das Verhalten und die Punktion der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung. Wenn ein zweiter Erdschluß 26 auf der-Lastseite des Transformatorkerns 37 eintritt, sind die Impedanzen der Sekundärwicklungsleiter 11 und 12 nicht mehr gleich und es fließt nunmehr ein Oszillatorstrom in dem Leiter 12 durch den Erdschluß 26 zur Erde. Dieser Stromfluß in dem Sekundärkreis auf dem Kern 37 ändert den in dem Kern

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fließonäen Magnetfluß, wodurch sich die Belastung an dem Schwingkreis aes Oszillators 30 ändert. Man kann die Situation auch noch anäers "betrachten? Der Erdschluß 26, der angezeigt werden soll, ist eine niedrige Impedanz in dem Sekundärkreis des von dem Kern 37 gebildeten Transformators und diese niedrige Impedanz wird in den Primärkreis des Transfortaators zuriickre» flektiert, parallel mit dem von der Wicklung 32 und den Kondensatoren 33 und 34 gebildeten Schwingkreis. Die Pararaeterwerte für die Wicklung 32 und die Kondensatoren 33 und 34 3ind derart gewählt, daß bei der 20 klls Schwingungsfrequenz der Schwingkreis normalerweise eine hohe Impedanz darstellt. Die niedrige Impedanz, die parallel mit der Primärseite des Schwingkreises zurtickreflektiert wird, ergibt eine effektive Impedanz des Schwingkreises, die wesentlich niedriger ist, als die normale Impedanz bei Fehlen eines Erdschlusses 26. Der Oszillator 30 ist derart konstruiert und angeordnet, daß die Schwingkreisimpedanz der dominierende Teil des Osaillatorkreis.es bei der Festlegung der Höhe des Oszillator-Ausgangssignals ist. Das bedeutet, die Amplitude des Oszillator-Ausgangssignals ist eine direkte Punktion der Impedanz des Schwingkreisteils der Oszillatorschaltung. Man kann also sagen, daß die Höhe des Ausgangssignals des Oszillators 30 schwingkreisabhängig ist. Wenn daher die Impedanz des geerdeten Nulleiters 12 in den Schwingkreis zurUckreflektiert und die effektive Schwingkreisimpedanz merklich reduziert, fällt die Größe dea Oszillator-Ausgangssignals entsprechend auf einen zweiten Wert ab. Die Größenänderung des Ausgangssignals ist ausreichend groß gewählt, so daß sie mit einer verhältnismäßig einfachen Schaltung gut feststellbar ist. Diese Größenänderung des Ausgangssignals des Oszillators 30 wird zweckmäßigerweise ohne wesentliche Änderung der Schwingungsfrequenz erzielt.

In einem zufriedenstellend arbeitenden Ausführungsbeispiel der Erfindung hatte der Schwingkreis eine normale Impedanz von annähernd 3100 Ohm in Abwesenheit eines Erdschlusses 26 und eine Impedanz von 4 Ohm des geerdeten Uulleiters 12 wurde in

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den Primärkreis als eine Impedanz von annähernd 1600 Ohm reflektiert. Diese Anordnung lieferte eine gut feststellbare Änderung des Oszillatorsignals und funktionierte zuverlässig. Selbstverständlich ist dies nur ein spezielles Beispiel und es können auch andere Parameterwerte und andere Schaltanordnungen verwendet werden, um eine Größenänderung des Oszillatorsignals festzustellen.

Um die angestrebte Arbeitscharakteristik des Oszillators 30 su erreichen, muS ein Ziel der Konstruktion Bein, daß die Impedanz des Schwingkreises bei Fehlen eines Erdschlusses 26 gleich oder größer als die Impedanz des übrigen Teils der Oszillator-Bchaltung und der Last zu sein hat, wenn man außerhalb des Schwingkreises den Rückkopplungspunkt an der Emitterelektrode des Transistors Qp betrachtet. Die gleiche Beziehung kann man auch noch anders ausdrücken, nämlich daß an der Kollektorelektorde des Transistors Qp die normale Impedanz des Schwingkreises zur Erde gleich oder größer sein muß als die Impedanz des übrigen Oszillatorteils und der Last am Rückkopplungspunkt.

Was den Schwingkreis des Oszillators 30 anlangt, so muß auch die Charakteristik des l'ransformatorkerns 37 in Betracht gezogen werden. Ein geeigneter Ringkern, der in einem Beispiel verwendet wurde, bestand aus Ferrit, das bei 20 kHz eine verhältnismäßig hohe Permeabilität in der Größenordnung von 3000 und einen Q-Wert von über 30 hatte. Der Kern hatte einen Aus-βendurchmesser von 12,7 mm (0,5 Zoll), einen Innendurchmesser von 5_t9 mm (0,233 Zoll), eine Dicke von 8,9 mm (0,350 Zoll). Er ist bei Arnold Engineering Company, Marengo, Illinois, unter der Katalognr. AK-3O-DO5O12 erhältlich.

Nachstehend sind in einer Liste spezielle Bestandteile und angenäherte Parameterwerte für Schaltelemente aufgeführt, die sich für den Oszillator 30 als brauchbar erwiesen haben:

Transistor Q₁ - 2N930
nde R₁ und R,

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Widerstände R₁ und R, 33 Kiloohm

Widerstand R₂ ²²

Widerstand R, T,8 Kiloohm

Kondensatoren 33 una 34 0,15 Mikrofarad

Wicklung 32 1 Millihenry (20 Windungen- Ur.30-Draht)

Bei Vorhandensein eines Erdschlusses 26 am Kulleiter 12 funktioniert die Schaltung folgendermaßenj Das in seiner Höhe herabgesetzte Ausgangssignal des Oszillators wird durch den isolierenden Widerstand R,- an den Spitzendetektor angekoppelt, der von der Diode 41 und dem Kondensator 42 gebildet wird. Der Spannungapegel am Ausgang des Spitzendetektors fällt auf einen entsprechend erniedrigten Wert ab, wodurch sich die Steuerspannung an der Gitterelektrode des Unijunction-Transistors Q₂ erniedrigt. Die Parameterwerte der zum Unijunction-Transistors Q₂ gehörigen Schaltungselemente sind so gewählt, daß dessen Gitterelektrodenspannung jetzt unter dessen Anodenelektrodenspannung liegt und der Unijunction-Transistor Q₂ periodisch leitend wird, wie noch genauer beschrieben wird. Die Steuerelektrode des siliziumgesteuerten Gleichrichters 21 ist über den leitenden Unijunction-Transistor Q₂ mit der Zeitkonetantenechaltung verbunden, die aus dem Widerstand 46 und aus dem parallelgeschalteten Widerstand 48 und Kondensator 49 besteht. Wenn so ein positives Potential an seine Steuerelektrode angelegt wird, ist der Gleichrichter 21 in den leitenden Zustand gebracht. Dadurch wird der Stromweg im Ausgangskreis des Brückengleichrichters 20 geschlossen und das Solenoid 17 wird erregt. Bei Erregung des Solenoids 17 wird der Mechanismus 16 betätigt und löst den Trennschalter 15 aus, so daß der leiter 11 von der Stromquelle getrennt wird.

Der Unijunction-Transistor Q₂ bildet zusammen mit dem Widerstand 46 und der Parallelschaltung aus dem Widerstand 48 und dem Kondensator 49« die an seine Anode angeschlossen sind, einen Kippgenerator, der eine periodische Impulsgabe oder Leitung des Unijunction-Transistors Q« erzeugt. Die.Verbindung der

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Gitterelektrode des Unijunction-Transistors Q^ mit dem von den Widerständen 44 und 45 gebildeten Spannungsteiler gewährleistet die Beibehaltung eines Minimums der Steuerspannung auf der Gitterelektrode von Qg, wenn das Ausgangssignal des Oszillators 30 Beine zweite, kleinere Höhe hat. Die Verwendung eines Kippgenerators zum periodischen Triggern des Biliziumgesteuerten Gleichrichters 21 gewährleistet, daß der Gleichrichter leitend ist, wenn das Ausgangssignal des Oszillators 30 sich auf seiner zweiten Höhe befindet. Wenn beispielsweise nur ein einziger Impuls vom Unijunction-Transistor Qp an die Steuerelektrode des Gleichrichters 21 angelegt würde, könnte zu diesem speziellen Zeitpunkt die 60 Hz Spannungsquelle gerade auf oder nahe an der Spannung Null sein und die Anodenspannung des Gleichrichters 21 wäre dann nicht hoch genug, um den Gleichrichter leitend zu machen. Die periodische Triggerung des siliziunigesteuerten Gleichrichters 21 stellt sicher, daß der Gleichrichter leitend wird. Selbstverständlich muß die Impulsfrequenz des Kippgenerators, der den Unijunction-Traneistor Qg einschließt, ein hohes Vielfaches der Frequenz der Stromquelle 10 sein, so daß der siliziumgeötouerte Gleichrichter 21 ohne merkliche zeitliche Verzögerung in den leitenden Zustand gebracht wird.

Die oben beschriebene Funktionsweise der Schaltung ist die gleiche, wenn statt einer Wechselstromquelle 10 an die Leiter 11 und 12 eine Gleichspannungsquelle angeschlossen wird. Dies rührt daher, weil die Schaltung zur Peststellung eines Erdschlusses am Nulleiter nur auf das Oszillatorsignal anspricht und nicht auf die Spannung oder den Strom in den Leitern 11 und 12, die von der Stromquelle 10 gespeist werden. Es ist in der Tat zweckmäßig, daß der Schwingkreis des Oszillators 30 gut gegen den 60 Hz Strom und die Spannung auf den Leitern 11 und 12 isoliert ist, so daß er diese nicht "sieht". Der Grund hierfür ist, daß für einen zuverlässigen Betrieb der erfindungsgemäßen Brdsehlußanzeigeschaltung die Tätigkeit des Oszillators 30 nicht durch irgend eine änderung beeinflußt

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werden darf, die in der Last oder.dem Verbraucher des Systems eintritt. Die gewünschte Isolierung des Oszillators 50 von dem 60 Hz Strom auf den Leitern 11 und 12 kann man beispielsweise dadurch erreichen, daß man für den Transformatorkern 57 ein Material verwendet, das bei der Frequenz von 60 Hz eine sehr niedrige magnetische Permeabilität entwickelt und im wesentlichen unmagnetisch ist, das aber bei den höheren Frequenzen des Oszillators 50 eine hohe magnetische Permeabilität und starke magnetische Eigenschaften besitzt. Dae oben erwähnte spezifische Ferritmaterial für aen Kern 37 besitzt die gewünschten Eigenschaften« Es sind auch noch andere geeignete Materialien im Handel erhältlich.

Die oben beschriebene Schaltung sur Feststellung eines Erdschlusses am Nulleiter ist ein unabhängig arbeitender Schaltkreis, der von einem mehr gebräuchlichen Unterbrecher bei Erdschluß (&FCI) gesondert und unterschieden ist.. Man kann jedoch die erfindungsgemäße Schaltung mit einer GFCI-Sehaltung zusammenpacken und einige Teile gemeinsam benutzen. Als Beispiel hierfür ist in dem Schaltbild ein zweiter Ringkern 51 dargestellt, der der Kern eines herkömmlichen Differentialtransformators ist, wie er in bekannter V/eise dazu dient, den 60 Hz Differenzstrom in den Leitern 11 und 12 festzustellen, die als Primärwicklungen durch den Kern geführt sind. Das Material für den Kern 51 unterscheidet sich von demjenigen für den Kern 37. Der Kern 51 entwickelt bei der 60 Hz Frequenz der Stromquelle 10 eine hohe Permeabilität und starke magnetische Eigenschaften, wogegen er dies bei der höheren Frequenz von 20 kHz des Oszillators 30 nicht tut.

Um den Kern 51 ist eine aus mehreren Windungen bestehende Sekundärwicklung 53 gewickelt, deren beide Leitungen durch Widerstände Rg und IU an einen Funktionsverstärker 55 gelegt sind «

Die Arbeitsweise des eben beschriebenen Heils der &F0I-Schal-

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tung ist dem Fachmann bekannt und braucht nicht weiter beschrieben zu werden. Zu erwähnen ist lediglich, daß bei Fehlen eines Ungleichgewichtes den 60 Ha Stromes in den Leitern

11 und 12 der Verstärker 55 kein Ausgang3signal erzeugt. Wenn ein Ungleichgewicht des 60 Hz Stromes in den leitern 11 und

12 auftritt, erzeugt der Verstärker 55 ein entsprechendes 60 Hz Ausgangssignal. Bei jeder positiven Halbperiode des Ausgangssignals des Verstärkers 55 bricht eine Zenerdiode 58 durch und das Signal wird über einen strombegrengenden Widerstand 59 an die Basis eines normalerweise nichtleitenden !Transistors Q₅ gelegt, um diesen Transistor leitend zu machen. Durch die Leitung des Transistors Q, wird das Gleich-Vorspannungsnetzwerk für die Basis des Transistors Q-j überbrückt und der Oszillator 30 stellt sofort seine Schwingung ein· Dies hat zur Folge, daß der Spannungspegel in dem von der Diode 41 und dem Kondensator 42 gebildeten Spitzendetektor abfällt, wodurch der Kippgenerator, der den Unijunction-Transistor Q₂ enthält, aktiviert wird, genau so, wie dies oben für die Arbeitsweise der Schaltung zur Feststellung eines Erdschlusses am Nulleiter beschrieben wurde. Der siliziumgesteuerte Gleichrichter 21 wird daraufhin leitend und das Solenoid 17 wird erregt, so daß die Unterbrecherkontakte 15 des Trennschalters öffnen.

Bei jeder negativen Halbperiode des 60 Hz Ausgangssignals des Verstärkers 55 wird die Diode 60 leitend und koppelt das negative Signal mit der Anode der Diode 41. Dadurch wird die Diode 41 in den Sperrzustand bezüglich des Ausgangssignals des nun schwingenden Oszillators 30 gesetzt. Der Kondensator 42 des Spitzendetektors entlädt sich durch den Widerstand 43 Und der Kippgenerator, der den Uni junction-Transistor Q₂ einschließt, wird betätigt, wodurch der Gleichrichter 21 leitend gemacht wird. Wie erwähnt, werden die Unterbrecherkontakte 15 des Trennschalters geöffnet, wenn der siliziumgesteuerte Gleichrichter 21 leitet.

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Der Kondensator 63» der im Nebenschluß au den Widerständen R₂ und IU in dem Vorspannungsteil für die Basis des Oszillator-Transistors Q^ liegt, ist ein Pilterkondensator für das 20 kHz Oszillatorsignal, um sicherzustellen, daß kein unerwünschtes Oezillatorsignal, das zufällig sum und durch den Verstärker 55 gelangt, an die Basis angelegt wird, um den Betrieb des Oszillators unerwünscht zu beeinflussen.

Um eine unbeabsichtigte Auslösung des Unijunction-Transistors Q₂ durch Einschaltstoße zu vermeiden, wie sie beim Einschalten der Gleichstromquelle auftreten können, dient die Zeitkonstantenschaltung, bestehend aus dem Widerstand 48 und dem parallel liegenden Kondensator 49» als eine Glättungsschaltung, um Stromstöße an der Anode des Unijunction-Transistors möglichst klein zu machen. Die Zeitkonstantenschaltung, die aus dem Kondensator 42 und dem dazu parallel liegenden Widerstand 43 besteht, hat eine ähnliche Punktion in dem Gitterkreis des Qg, um zu verhindern, daß der Qg anders als durch eine Änderung des Ausgangssignalpegels des Oszillators infolge eines fehlerhaften Erdschlusses ausgelöst wird. Die Punktion des Oszillators 30 und seiner zugehörigen Schaltung wurde für einen unerwünschten zweiten Erdschluß am Hulleiter 12 erläutert, weil dies ein gefährlicher Zustand ist, gegen den ein Schutz geschaffen werden muß. Selbstverständlich ist die Funktion des Oszillators 30 ähnlich der oben beschriebenen, wenn ein Erdschluß an dem "heißen" Leiter 11 vorhanden ist, weil in dieser Situation der Sekundärkreis auf dem Transformatorkern 37 keine abgeglichene Schaltung für das Oszillatorsignal darstellt.

Die erfindungsgemäße Schaltung zur Feststellung eines Erdschlusses ist kompakt und läßt sich bequem in einem kleinen Gehäuse unterbringen. Dies rührt teilweise daher, daß eine verhältnismäßig hohe Arbeitefrequenz für den Oszillator 30 gewählt ist. Außerdem ist die erfindungsgeaäße Schaltung in ihrer Punktion zuverlässig und beeinträchtigt das 60 Hz Versorgungssystem nicht, wird auch selbst nicht ungünstig von dem

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Stromveraorgungssystera beeinflußt. Dies beruht auf der abgeglichenen Ankoppelung des Oszillators an die Leiter des Versorgung s systems, so daß kein Oszillatorsignal zu den Verbrauchern eines ordnungsgemäß arbeitenden Systems gelangt und die Verbraucher nicht von dem Oszillatorsignal ungünstig beeinflußt v/erden können. Aufgrund der abgeglichenen Ankoppelung
werden Änderungen in der La3t des Versorgungssystems und äußere Signale oder Störungen an dem leiter des Versorgungsoyatema, die im Frequenzbereich des Oszillators liegen, nicht zum Oszillator rückgekoppelt, wenn das Versorgungssystem ordnungsgemäß funktioniert. Die Schaltung arbeitet also unabhängig
von der Belastung.

Gegenüber dem beschriebenen Ausfiihrungsbeispiel sind im Rahmen der Erfindung Änderungen der Schaltung möglich.

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Claims

Ansprüche

M JFehlerschutzeehaltung zur Verwendung in einem elektrischen Versorgungssystem an einer Stelle zwischen einer Stromquelle und einer elektrischen last, wobei das Versorgungssystem mehrere Leiter einschließlich eines Nulleiters hat, der auf der Stromquellenoeite der Schutzschaltung elektrisch geerdet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schuts-Bchaltung einen unerwünschten zweiten Erdschluß (26) an einem der Leiter (11, 12) auf der Lastseite der Schutzschaltung feststellt und daß sie folgende Schaltungsteile aufweist s

Einen Oszillator (30) zur Erzeugung eines Oszillatorsignals, der einen dominierenden Teil (32 - 34) aufweist, dessen Impedanz bestimmend ist für eine charakteristische Größe des Os zi Hat or signals,

ferner eine Ankoppelung des Oszillators an die Leiter (11, 12) des Versorgungssystems in der Weise» daß das Oszillatorsignal ausgeglichen ist, so daß bei Abwesenheit eines unerwünschten zweiten Erdschlusses an einem der Leiter praktisch kein Oszillatorstrom in den Leitern fließt, und daß die Impedanz zur Erde von wenigstens einem der Leiter zum Oszillator zurückreflektiert wird, wenn an diesem Leiter der unerwünschte Erdschluß vorhanden ist, wobei die normale Impedanz des dominierenden Teils des Oszillators bei Abwesenheit des zweiten Erdschlusses relativ zu der zum Oszillator zurückreflektierten Impedanz beim Vorhandensein des zweiten Erdschlusses derart proportioniert ist, daß eine merkliche Differenz in der äquivalenten Impedanz des dominierenden Teils des Oszillators erzeugt wird, die einen feststellbaren Unterschied der charakteristischen Größe des Oszillatorsignals bewirkt, und schließlich eine Schaltungsanordnung (Q₂, 44 - 49), die mit dem Oszillator verbunden ist und die Differenz der charakteristischen. Größe des Oszillatorsignals feststellt und auf eine solche Peststellung hin ein Pehlersignal liefert.

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2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das Oszillatorsignal eine hphere !Frequenz hat als der Strom des Versorgungssystems und daß die Ankoppelung des Oszillator s (30) an die Leiter (11, 12) des Versorgungssystems einen Transformatorkern (37) aufweist, der aus einem Material besteht, welches für das Oszillatorsignal starke magnetische Eigenschaften entwickelt, dagegen praktisch unmagnetisch ist für den Strom des Versorgungssystems.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromunterbrecher (15» 16, 17) vorgesehen ist, der auf das Fehlersignal anspricht und den Strom in den Leitern des Versorgungssystems unterbricht.
4. Schaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß sie an den Nulleiter und an mindestens einen anderen Leiter des elektrischen Versorgungssystems angeschlossen ist und einen unerwünschten zweiten Erdschluß (26) des Nulleiters (12) feststellt und daraufhin ein Fehlersignal erzeugt.
5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Schaltungsteil (51, 53, 55, 60) zur Erkennung einer Störung durch Erdung, der an den Nulleiter und mindestens einen anderen Leiter des elektrischen Versorgungssystems angeschlossen und derart konstruiert ist, daß er ein unerwünschtes Ungleichgewicht des Versorgungsstromes in den Leitern feststellt und daraufhin ein Erdungsfehlersignal erzeugt, und durch Schaltmittel, die auf das Erdungafehlersignal ansprechen und den Stromunterbrecher (15» 16, 17) betätigen.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungsteil einen zweiten Transformatorkern (51) aufweist, der aus einem Material besteht, welches beträchtliche magnetische Eigenschaften für den Strom des Versorgungssystems entwickelt, für das Oszillatorsignal jedoch

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praktisch unmagnetisch ist, so daß der Schaltungsteil ein Ungleichgewicht de3 Oszillator signals auf den Leitern nicht wahrnimmt.
7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungsverbindung (60, 58, 59» Q*) das Er dung sfehlersignal an die Schaltungeanordnung (Q₂, 44 - 49)» die das erstgenannte Fehlersignal liefert, in der Weise ankoppelt, daß auf ein Erdungsfehle rs ignal hin ein erstgenanntes Fehlersignal ungeachtet der charakteristischen Größe des Oszillatorsignal8 erzeugt wird.
8» Schaltung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (30) einen Schwingkreis (32, 33» 34) und eine solche Anordnung und Bemessung seiner Schaltungselemente aufweist, daß die Impedanz des Schwingkreises dominierend für die Festlegung der Höhe des Oszillatorsignals ist, wobei das induktive Glied des Schwingkreises als Primärwicklung mit einem Transformatorkern (37) gekoppelt ist, mit welchem der Nullleiter und mindestens ein weiterer Leiter des Versorgungssystems als Sekundärwicklungen magnetisch derart gekoppelt sind, daß sie von dem Oszillator signal auf der Primärwicklung in ausgeglichener Weise erregt werden und die Impedanz zur Erde von einem der Leiter zurück in den Schwingkreis reflektieren, wenn der unerwünschte zweite Erdschluß vorhanden ist, so daß die effektive Impedanz des Schwingkreises einen ersten und einen zweiten Wert annimmt und das Oszillatorsignal eine erste bzw. zweite Höhe hat, je nachdem ob der zweite Erdschluß vorhanden ist oder nicht, und daß die Schaltungsanordnung zur Erzeugung des Fehlersignals eine nicht über die Leiter des Versorgungssystems gehende Verbindung mit dem Oszillator hat und das Fehlersignal erzeugt, wenn das Oszillatorsignal die zweite Höhe hat»
9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

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zwischen den Oszillator (30) und die Schaltungsanordnung zur Erzeugung des Fehlersignals ein Glied (41 - 43) eingeschaltet ist, das ein einleitendes Signal erzeugt, dessen Höhe eine Funktion der Größe des Oszillatorsignals ist, und daß die Schaltungsanordnung derart mit diesen Glied gekoppelt ist, daß sie das Fehlersignal erzeugt, wenn das einleitende Signal eine vorgegebene Höhe hat, die von seiner Höhe bei Abwesenheit des zweiten Erdschlusses verschieden ist.
10. Schaltung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Glied eine Spitzendetektorschaltung (41» 42, 43) ist.
11. Schaltung nach Anspruch 8 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz deo Schwingkreises bei Fehlen des zweiten Erdschlusses größer ist als die reflektierte Impedanz zur Erde de3 Leiters, der einen zweiten festzustellenden Erdschluß hat, so daß eich die Größe des Oszillatorsignals um einen meßbaren Betrag ändert.

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