DE2424205A1 - Erdschluss-detektorvorrichtung - Google Patents

Description

Erdschluß-Detektorvorrichtung

Die Erfindung "betrifft eine verbesserte Erdschluß-Detektorvorrichtung zur Feststellung von Erdschlußströmen, die über eine Stromverteilerleitung fließen, mittels eines Nullphasen-Stromwandlers.

Die bekannten Erdschlußdetektoren der genannten Art können dadurch an einer fehlerhaften Arbeitsweise infolge von Stromstößen oder Rauschsignalen gehindert werden, daß Y/iderstände und/oder Kondensatoren beträchtlicher Größe zum Absorbieren der Stromstöße oder der Rauschsignale vorgesehen werden. Dies führt aber zu einer Vergrößerung der jeweiligen Zeitkonstante, wodurch das für die Verhinderung elektrischer Schocks oder Stromschläge erforderliche schnelle Ansprechen des Erdschlußdetektors beeinträchtigt wird, so daß ein hoher Erdschlußstrom den menschlichen Körper während einer langen Zeitspanne durchfließen kann. Dies kann aber zu tödlichen Unfällen führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen wirkungsvollen und verbesserten Erdschlußdetektor mit hoher Ansprechempfindlichkeit zu schaffen, der frei ist von Störungen infolge von Stromstößen oder Rauschsignalen in der zugeordneten

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Stromverteilerleitung und welcher einen sicheren Schutz von Personen vor elektrischen Schocks oder Schlagen zu gewährleisten vermag.

Diese Aufgabe wird bei einer Erdschluß-Detektorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie einen Nullphasen-Stromwandler, der elektrisch an einen elektrischen Leitungspfad angeschlossen ist, um einen durch diesen fließenden Erdschlußstrom unter Lieferung eines Ausgangssignals festzustellen, ein auf das Ausgangssignal vom Stromwandler durch Durchschalten ansprechendes Halbleiter-Schaltelement, um einen in den elektrischen Leitungspfad eingeschalteten Stromkreisunterbrecher oder Schutzschalter zum Öffnen des Leitungspfads anzustoßen, und einen Schaltkreis aufweist, der einen Widerstand mit vergleichsweise hohem Widerstandswert, einen mit dem Widerstand in Reihe geschalteten Kondensator und ein über den Widerstand geschaltetes Konstantspannungselement enthältj daß der Schaltkreis auf ein unter einer vorbestimmten Größe liegendes Ausgangssignal vom Stromwandler in der Weise anspricht, daß ein am Kondensator liegendes Potential allmählich über den Widerstand auf einen vorbestimmten Wert erhöht wird, bei welchem das Halbleiter-Schaltelement durchschaltet, und daß der Schaltkreis auf ein über der vorbestimmten Gkröße liegendes Ausgangssignal vom Stromwandler durch augenblickliche Erhöhung des am Kondensator liegenden Potentials über das Konstantspannungselement anspricht, um das Halbleiter-Schaltelement in seinen Durchsahaltzustand zu versetzen.

In bevorzugter Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gekennzeichnet durch einen elektrisch in einen elektrischen Leitungspfad eingeschalteten Fullphasen-Stromwandler mit einer Sekundärwicklung, einen an letztere angeschlossenen ersten Widerstand, einen mit diesem Widerstand in Reihe geschalteten Kondensator, ein über den ersten Widerstand geschaltetes

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Konstantspannungseiement, ein durch Durchschalten auf eine vorbestimmte Größe der Aufladungsspannung am Kondensator ansprechendes erstes Schaltelement, ein durch Durchschalten auf den Durchsehaltzustand des ersten Sehaltelements ansprechendes zweites Schaltelement und eine zur Aktivierung auf den Durchschaltzustand des zweiten Sehaltelements ansprechende elektromagnetische Einrichtung, die "bei ihrer Aktivierung einen in den elektrischen Leitungspfad eingeschalteten Stromkreisunterbrecher "bzw. Schutzschalter und mithin auch den Leitungspfad öffnet.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 ein Schaltbild eines bekannten Erdschlußdetektors,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Erdschlußdetektors mit Merkmalen nach der Erfindung und

Pig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Betriebseigenschaften von Erdschlußdetektoren.

Die in Fig. 1 dargestellte, bekannte Vorrichtung umfaßt einen Abschnitt einer Stromverteilerleitung mit zwei Adern oder Leitungen 10 und 12, die an Klemmen 14 und 16 enden und in die ein normalerweise geschlossener Schalter 18 geschaltet ist, sowie einen ITullphas en-Stromwandler 20, der induktiv an die Leitungen 10 und 12 gekoppelt ist. Der Stromwandler 20 weist eine aus den Leitungen 10 und 12 gebildete Primärwicklung und eine Sekundärwicklung 2OS auf, die mittels eines Anpaßwiderstands über eine Zener-Diode 24 geschaltet ist, welche ihrerseits über eine Reihenkombination aus einem Temperaturkompensationswiderstand 26 und einem Thermistor 28 geschaltet ist. Die Reihenkom-

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bination aus dem Widerstand 26 und dem Thermistor 28 ist ihrerseits über einen Kondensator 30 geschaltet, welcher zusammen mit dem Widerstand 22 in der Verteilerleitung auftretende Stromstöße absorbiert. Der Widerstand 26 ist außerdem an die Gate-Elektrode eines Thyristors 32 angeschlossen, der eine mit der Verzweigung zwischen dem Kondensator 30 und dem Thermistor 28 verbundene Kathode und eine mit einer elektromagnetischen Auslöseeinrichtung 34 für den Schalter 18 verbundene Anode aufweist. Lie Auslöseeinrichtung 34 ist mit der Kathode des Thyristors 32 über einen Absorbier- und Glättungskondensator 36 geschaltet und zudem an den einen Ausgang eines Brückengleichrichters aus vier Halbleiter-Gleichrichterdioden 38, 40, 42 und 44 angeschlossen. Der Gleichrichter weist einen anderen, an die .Kathode des Thyristors 32 angeschlossenen Ausgang sowie zwei Eingänge über die Verbindung der Dioden 38 und 40 einerseits und der Dioden 42 und 44 andererseits auf, die an eine Primärwicklung eines Transformators 46 geschaltet sind. Die Sekundärwicklung des Transformators 46 ist mit den leitungen 10 und12 verbunden.

Wenn sich die Verteilerleitung im Normalbetriebszustand befindet, in welchem kein Erdschlußstrom über die Leitung fließt, sind die Phasen der durch den Nullphasen-Stromwandler 20 verlaufenden Leitungen 10 und 12 abgeglichen, so daß kein Ausgangssignal über der Sekundärwicklung 2OS des Stromwandlers auftritt. Wenn ein Erdschluß über die Leitung auftritt, der z.B. einem menschlichen Körper einen erheblichen Schlag erteilen könnte, fließt über die Leitung 10 oder 12 ein Nullphasen-Strom, der ein Ausgangssignal an der Sekundärwicklung 2OS des Stromwandlers induziert. Durch das Ausgangssignal vom Stromwandler 20 wird ein Steuersignal an die G-ate-Elektrode des Thyristors 32 angelegt, wodurch letzterer durchgeschaltet wird. Hierdurch kann die elektromagnetische Auslöseeinrichtung 34 durch einen von den Leitungen 10 und 12 über den Transformator 46 und den Gleich-

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richter 38, 40, 42, 44 gelieferten Strom aktiviert werden, so daß derSchalter 18 geöffnet wird und somit die leitungen 10 und 12 der Verteilerleitung unterbrochen v/erden. '

Die vorstehend beschriebene Anordnung besitzt die durch die Kurve b in Pig. 3 dargestellten Betriebseigenschaften, wobei die Abszisse den durch einen menschlichen Körper fließenden Strom in mA unddie Ordinate die Zeit in Sekunden angibt, während welcher der Strom den menschlichen Körper durchfließt. Bei den bekannten Erdschlußdetektoren der Art gemäß Fig. 1 kann jeder über den Eullphasen-Stromwandler 20 eintretende Stromstoß oder jedes Rauschsignal durch den Widerstand 22, den Kondensator 30 und die Zener-Diode 24 absorbiert werden, so daß die Vorrichtung an einer Fehlbetätigung gehindert wird. Um einen solchen Stromstoß oder ein solches Rauschsignal zur Verhinderung einer Fehlbetatigung ausreichend zu absorbieren, muß dem Widerstand 22 ein beträchtlicher Widerstandswert verliehen werden. Wahlweise muß der Kondensator 30 eine erhebliche Kapazität besitzen. Je größer der Wert des Widerstands oder, der Kapazität ist, um so größer ist aber die damit zusammenhängende Zeitkonstante. Dieser Umstand beeinträchtigt das Merkmal einer schnellen Arbeitsweise der bekannten Erdschlußdetektoren, um elektrische Schläge zu verhindern. Aus diesem Grund ist zu befürchten, daß derartige Vorrichtungen ihre vorgesehene Aufgabe nicht einwandfrei zu erfüllen vermögen. Ein bezüglich des schnellen Ansprechens beeinträchtigter Erdschlußdetektor besitzt die durch die Kurve c in Fig. 3 angegebene Charakteristik.

Ein menschlicher Körper besitzt andererseits die in Fig. 3 in Kurve a dargestellte Charakteristik der Stromwiderstandskraft. Aus Kurve a ist ersichtlich, daß dann, wenn ein schwacher Strom I den menschlichen Körper durchfließt, die Zeitspanne t, während welcher der Strom, fließt, vergleichsweise

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lang sein kann. Ist der den menschlichen Körper durchfließende Strom dagegen groß, so muß die Dauer des Stroms kurz sein. In Pig. 3 ist durch den schraffierten, durch die Kurve a bestimmten Abschnitt der tödliche Bereich angegeben, während der sichere Bereich ebenfalls angegeben ist. ¥ie erwähnt, besitzt die in Fig. 1 dargestellte bekannte Vorrichtung die der Kurve c in Fig. 5 entsprechende Charakteristik. Dies bedeutet, daß ein eine Person durchfließender Strom für diese Person tödlich sein kann, v/eil sie dem Stromfluß eine vergleichsweise lange Zeitspanne ausgesetzt ist.

Die Erfindung bezweckt die Ausschaltung der Nachteile der vorstehend beschriebenen bekannten Vorrichtungen dieser Art unter Berücksichtigung der erwähnten Stromwiderstandskraft des menschlichen Körpers.

Hit der Erfindung wird ein Erdschlußdetektor geschaffen, der so ausgelegt und aufgebaut ist, daß bei einem vergleichsweise niedrigen Erdschlußstrom ein Triggersignal an ein Schaltelement, etwa einen Thyristor, über eine Zeitschaltung mit grosser Zeitkonstante angelegt wird, während bei einem hohen Erdschlußstrom ein Triggersignal über einen von der Zeitschaltung getrennten Schaltkreis augenblicklich an das Schaltelement angelegt wird.

In Fig. 2, in welcher den Teilen von Fig. 1 ähnelnde oder entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Erdschlußdetektors dargestellt, bei welcher der Verzweigungspunkt zwischen dem Widerstand 26 und dem Kondensator 30 zum Absorbieren von Stromstößen und Rauschsignalen an eine Halbleiterdiode 50 angeschlossen ist, um einen Rückstrom zu verhindern. Die Diode 50 weist eine Kathode auf, die an einen strombegrenzenden Widerstand 52 und außerdem an die Kathode

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einer Zener-Diode 54" angeschlossen ist, welche ihrerseits anodenseitig mit einem strombegrenzenden Widerstand 56 verbun- ■ den ist. Der Widerstand 56 ist mit einem Kondensator 58 verhunden, der seinerseits an den Kondensator 30 angeschlossen ist und. über den ein Widerstand 60 parallelgeschaltet ist. Der Widerstand 56 besitzt einen wesentlich kleineren Widerstandswert als der Widerstand 52 und bildet zusammen mit dem Kondensator 58 und der Zener-Diode 54 eine Zeitschaltung mit kleiner Zeitkonstante. Andererseits bildet der Widerstand 52 zusammen mit dem Kondensator 58 eine Zeitschaltung mit großer Zeitkonstante. Der Widerstand 60 dient als Entladungswiderstand für den Kondensator 58.

Der Kondensator 58 ist über einen Widerstand 64 an einen N-Typ-Thyristor 62 angeschlossen. Die Verzweigung zwischen der Kathode des Thyristors 62 und dem Widerstand 64 ist an die Gate-Elektrode des Thyristors 32 angeschlossen, während die Gate-Elektrode des Thyristors 62 mit der Verzweigung zwischen einer Zener-Diode 66 und einem Widerstand 68 verbunden ist. Die Zener-Diode 66 und der Widerstand 68 bilden eine Konstantspannungsschaltung, die über die Reihenkombination aus der elektromagnetischen Auslöseeinrichtung 34 und dem Thyristor 32 sowie über den Kondensator 36 geschaltet ist. ~ ...

In jeder anderen Hinsicht entspricht die Anordnung gemäß Pig.. derjenigen gemäß Pig. 1.

Wenn ein auf den leitern 10 und 12 der Verteilerleitung auftretender Stromstoß oder ein Rauschsignal über den Nullphasen-Stromwandler 20 in den Erdschlußdetektor eintritt, kann letzterer an einer Pehlbetatigung gehindert werden, weil der Widerstand 52 einen ausreichend hohen Widerstandswert besitzt, der z.B. etwa das 20-fache der Widerstandsgröße des Widerstands beträgt.

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Wenn ein Leitung-Erdschluß auftritt, "bei dem ein niedriger Erdschlußstrom über die Verteilerleitungen 10 und 12 fließt, "bleibt die Zener-Diode 54 in ihrem Sperrzustand. Infolgedessen kann sich das Ausgangssignal vom Kullphasen-Stromwandler 20 allmählich über die Diode 50 und den Widerstand 52 am Kondensator 58 aufbauen und das an letzterem anliegende Potential erhöhen. Wenn das Potential am Kondensator 58 eine Gatter- oder Durchs ehalt spannung für den IT-Typ-Thyristor 62 übersteigt, wird letzterer durchgeschaltet, so daß er ein Triggersignal an den Thyristor 32 anlegt, wodurch der Thyristor in seinen Durchschaltzustand gesteuert wird. Wie bei der Anordnung gemäß Pig. 1 hat das Durchschalten des Thyristors 32 das Öffnen des Schalters 18 durch die elektromagnetische Auslöseeinrichtung 34 zur Folge.

Die Zeitspanne, welche mit dem Auftreten des Leitung-Erdschlusses beginnt und mit dem Öffnen des Schalters 18 endet, ist vergleichsweise lang, weil sie durch die vergleichsweise große, durch den Widerstand 52 und den Kondensator 58 festgelegte Zeitkonstante bestimmt wird. Der Erdschluß vermag jedoch einem Menschen nicht gefährlich zu werden, weil der resultierende Erdschlußstrom niedrig ist.

Wenn der Erdschlußstrom dagegen hoch ist, schaltet die Zener-Diode 54 augenblicklich durch und schließt den Widerstand 52 mit dem Widerstand 56 kurz. Infolgedessen wird das Ausgangssignal vom ITullphasen-Stromwandler 20 sofort an den Kondensator 58 angelegt, wodurch das an letzterem, anliegende Potential augenblicklich erhöht wird, so daß der Thyristor 32 durchgeschaltet wird. Hit anderen Worten: Das Auftreten eines großen Erdschlußstroms hat ein Durchschalten oder Übersteuern der Zener-Diode 54 zur Folge, wodurch ein Schaltkreis mit kleinerer Zeitkonstante gebildet wird, so daß der Schalter 18 augenblicklich öffnet, Ersichtlicherweise besitzt c.ie Anordnung

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gemäß Pig. 2 somit eine durch, die Kurve d in Fig. 3 veranschaulichte inverse Zeitbegrenzungscharakteristik. Aus diesem Grund stellt ein Erdschluß, der einen großen Erdschlußstromfluß zur Folge hat, keine Gefahr für den menschlichen Körper dar.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß mit der Erfindung ein Erdschlußdetektor geschaffen wird, der effektiv an einer Fehlbetätigung infolge von in der zugeordneten Verteilerleitung auftretenden Stromstößen und Rauschsignalen gehindert werden kann und v/elcher v/irksam verhindert, daß Personen elektrischen Schlägen ausgesetzt werden, wobei er im Gegensatz zu den bekannten Erdschlußdetektoren sowohl eine große Ansprechempfindlichkeit als auch eine große Ansprechschnelligkeit besitzt.

Obgleich die Erfindung vorstehend nur in einer einzigen bevorzugten Ausführungsform dargestellt und beschrieben ist, sind dem Fachmann selbstverständlich zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung somit eine Erdschluß-Hetektorvorrichtung geschaffen, bei welcher ein Nullphasen-Stromwandler auf einen in einer Verteilerleitung auftretenden Erdschluß unter Erzeugung eines Ausgangssignals anspricht. Bei einem, niedrigen Erdschlußstrom erhöht das Ausgangssignal über einen hochohmigen Widerstand allmählich eine Aufladungsspannung an einem Kondensator auf eine vorbestimmte Größe. Wenn diese Größe erreicht ist, wird ein Thyristor durch ein Konstantspannungselement durchgeschaltet, so daß ein zugeordneter Stromkreisunterbrecher oder Schutzschalter geöffnet wird, Ist der Erdschlußstrom dagegen groß, so läßt das Ausgangssignal vom Stromwandler eine Zener-Diode in den Übersteuerungs-

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"bereich, geraten, wodurch, der Kondensator zum Durchschalten des Thyristors augenblicklich aufgeladen und hierdurch der Stromkreisuntertirecher geöffnet wird.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   ( 1.JErdschluß-Detektorvorrichtung, dadurch g e k en η zeichnet, daß sie einen !Tullphas en- Stromwandler, der elektrisch an einen elektrischen Leitungspfad angeschlossen ist, um einen durch diesen fließenden Erdschlußstrom unter Lieferung eines Ausgangssignals festzustellen, ein auf das Ausgangssignal vom Stromwandler durch Durchschalten ansprechendes Halbleiter-Schaltelement, um einen in den elektrischen Leitungspfad eingeschalteten Stromkreisunterbrecher oder Schutzschalter zum Öffnen des Leitungspfads anzustoßen, und einen Schaltkreis aufweist, der einen Widerstand mit vergleichsweise hohem Widerstandswert, einen mit dem Widerstand in Reihe geschalteten Kondensator und ein über den Widerstand geschaltetes Konstantspannungselement enthält, daß der Schaltkreis auf ein unter einer vorbestimmten Größe liegendes Ausgangssignal vom Stromwandler in der V/eise anspricht, daß ein am Kondensator liegendes Potential allmählich über den Widerstand auf einen vorbestimmten Wert erhöht wird, bei welchem das Halbleiter-Schaltelement durchschaltet, und daß der Schaltkreis auf ein über der vorbestimmten Größe liegendes Ausgangssignal vom Stromwandler durch augenblickliche Erhöhung des am Kondensator liegenden Potentials über das Ii ons tantspannungselement anspricht, um das Halbleiter-Schaltelement in seinen Durchsehaltzustand zu versetzen.

   Erdschluß-Detektorvorrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen elektrisch in einen elektrischen Leitungspfad eingeschalteten Nullphasen-Stromwandler mit einer Sekundärwicklung, einen an letztere angeschlossenen ersten Widerstand, einen mit diesem. Widerstand in Reihe geschalteten Kondensator, ein über den ersten Widerstand geschaltetes Konstantspannungselement, ein durch Durchschal-

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   .12. : 242A205

   ten auf eine vorbestimmte Größe der Aufladungsspannung am Kondensator ansprechendes erstes Schaltelement, ein durch Durchschalten auf den Durchschaltzustand des ersten Schaltelements ansprechendes zweites Schaltelement und eine zur Aktivierung auf den Durchschaltzustand des zweiten Schaltelements ansprechende elektromagnetische Einrichtung, die ■ bei ihrer Aktivierung einen in den elektrischen Leitungspfad eingeschalteten Stromkreisunterbrecher bzw. Schutzschalter und mithin auch den Leitungspfad öffnet.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiter-Diode zwischen die Verzweigung, zwischen dem ersten Widerstand und dem Konstantspannungselement sowie der Sekundärwicklung des Nullsystem-Stromwandlers eingeschaltet ist, um einen Rückstrom zu verhindern.

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