DE2525139A1

DE2525139A1 - Selbstschalter, insbesondere fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: DE2525139A1
Application number: DE19752525139
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Ing Lauerer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-06-05
Filing date: 1975-06-05
Publication date: 1976-12-23

Description

Selbstschalter, insbesondere Fehlerstromschutzchalter Es sind Selbstschalter, insbesondere Fehlerstromschutzchalter bekannt, bei denen die Schalterauslösung nach dem Sperrmagnetprinzip erfolgt. Bei den bekannten Einrichtungen wird das die Abschaltung bewirkende Störsignal einem Wandler, insbesondere einen Summenstromwandler zugeführt, dessen Sekundärwicklungen durch die Folschenkelfenster des Sperrmagneten geführt sind. Bei dieser bekannten Einrichtung wird ein wesentlicher Teil der auslösenden Energie in Wandlerkern verbrancht, was besonders für den empfindlichen Fehlerstromschutzschalter von Hachteil ist. Ein weiterer Nachteil der bekannten Einrichtung ist die Tatsache, daß bei Gleichstrombetrieb bzw. bei Betrieb mit Wechselstrom, der eine Gleichstromkomponente enthält, eine zuverlässige Abschaltung im Fehlerfalle nicht gewährleistet ist.
es wurde bereits vor eschlagen ( Offenlegungsschrift 1 909 085, 3oite 15), die Betriebsstromleiter direkt durch die nolschenkelfenster des Sperrmagneten zu führen. Durch die bekannte Anordnung werden zwar die erwähnten Nachteile beseitigt, doch ein zuverlässiger Betrieb ist auf diese Weise nicht möglich, weil bei sehr hohen Fehlerströmen, insbesondere bei Brdkurzschluß, die in den Polschenkeln oder/und im Außenraum erzeugten magnetischen Kraftlinien die Trennflächen zwischen den Polschenkeln und dem Anker durchsetzen und auf diese Weise den Abfall des Ankers verrindern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Selbstschalter, insbesondere einer Fehlerstromschutzchalter, der nach dem Sperrmagnetprinzip arbeitet und bei dem die Betribsstromleiter durch die Polschenkelfenster gführt sind einen zuverlässigen Abfall des Ankers auch dann zu ermöglichen, wenn hohe Behlerströme fließen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Polschenkel, der Anker und die Betriebsstromleiter so gestaltet und angeordnet sind, daß das unabhängig von der Größe der magnetischen Flüsse mindestens eine Polschenkel/Anker-Trennflache mit der Trennfläche der von den verschiedenen Quellen erzeugten magnetischen Flüsse identisch ist.
In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden beide Polschenkelenden mit den Anschlüssen eines Reedkontaktes verbunden. Die Reedkontakte werden durch den Dauermagnetfluß zus ammengehalten. Wird im Fehlerfalle der Dauermagnetfluß gesperrt, dann fällt der Reedkontakt ab und löst direkt oder indirekt den Abschaltvorgang aus. Durch diese Anordnung wird durch eine relativ geringe Auslöseenergie der Abschaltvorgang ausgelöst.
Deshalb ist sie besonders für den empfindlichen ehlerstromschutzschalter geeignet.
Zur Verringerung des ilerstellungsaufwandes ist es zweckmäßig, daß die Mittelachsen der Polschenkelfenster in einer Linie, parallel oder nahezu parallel zueinander liegen. Diese Anordnung wird am einfachsten durch einen U-förmigen Sperrmagneten realisiert.
Um den störenden Einfluß von starken Außenmagnetfeldern auf den Fehlerstromschutzschalter zu vermeiden, ist es zweckmäßig das Schutzgehäuse des Schalters aus magnetisch abschirmendem Material herzustellen oder das Schutzgehäuse mit einem solchen Material auszukleiden.
Um beim Versagen eines Fehlerstromschutzschalters infolge Nichtfunktionieren des Schaltschlosses oder des Ankers im Fehlerstromfalle trotzdem eine Abschaltung zu emmöglichen, wurde bereits vorgeschlagen, eine zweite Abschalteinrichtung oder Teile davon vorzusehen, welche im ,9alle des Versagens der Hauptabschalteinrichtung zeitverzögert durch Erzeugung eines Kurzschlusses oder/und durch Sprengung mit nachfolgender Durch- bzw. Auftrennung der Betriebsstromleiter eine irreversible Zwangsabschaltung zu bewirken. Für die Zeitverzögerung wurde die Verwendung eines RO-ulledes vorgeschlagen.
Ein Nachteil des RC-Gliedes ist die relativ geringe Zuverlässigkeit der hier benötigten Bauelemente. Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß die Zeitverzögerung durch ein von außen auf die Redundanz-'eedkontakte kurzzeitig einwirkendes Magnetfeld ermöglicht wird, wobei die betreffende Haltesvule durch einen von dem etzspannung vorher aufgeladenen und sich schnell entladene Kondensator gespeist wird.
Bei der bereits vorgeschlagenen Redndanzcini chtung kann die Zuverlässigkeit der zeitverzögerten Sprengung wesentlich erhöht werden, wenn erfindungsgemäß zwei voneinander unabhängige Sprengungen ausgelöst werden, die eine ohne Hilfsenergie, beispielsweise durch Zündhütchenaufschlag bzw. auf piezoelektrische Weise, wodurch ein Sprengstoff zur Explosion gebracht wird, und die andere mit Hilfsenergie, beispielsweise durch Entladung eines Kondensators über eine Funkenstrecke bzw.
über einen Glühdraht, wodurch das in einem Behälter untergebrachte Gasgemisch zur Explosion gebracht gebracht wird.
Es ist zweckmäßig, den festen und den gasförmigen Sprengstoff gemeins;; in einem Reedkontaktbehälter unterzubringen und die Sprengung durch die Reedkontakte auszulösen.
Es wurde bereits vorgeschlagen das Sperrmagnetprinzip auch für die Kurzschlußabschaltung anzuwenden. Dies geschieht durch eigene und besonders gestaltete roschenkelfenster, wobei für jeden Betriebsstromleiter ein eigenes bzw. zwei eigene Fenster erforderlich sind. Gegebenfalls genügt auch die Anordnung der Betriebsstromleiter in unmittelbarer Nähe der Polschenkel, ohne daß diese leiter durch Polschenkelfenster hindurchgehen. Weiter wurde bereits vorgeschlagen das Sperrmagnetprinzip auch zur zeitgerechten Abschaltung von normalen Betriebs-Überströmen anzuwenden. Um die von der Größe des Überstromes abhängige, zeitlich verzögerte Abschaltung zu erzielen, ist gemäß des bekannten Vorschlages auf einem Teilschenkel des Kurzschlußfensters eine Wicklung angebracht, die über einen Heißleiter zu einem weiteren Polschenkelfenster führt. Mit zunehmender Uberstromstärke wird der Heißleiter zunehmend aufgeheizt und dadurch der durch das zusätzliche Fenster führende Strom erhöht, wodurch die gewünschte Abschaltung ermöglicht wird. Ein Nachteil dieser Schaltung liegt darin, daß sie wegen der transformatorischen tbertragung nur bei Wechselstrom, nicht bei Gleichstrom funktioniert.
Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß zu jedem der durch die Kurzschlußfenster führenden Betriebsstromleiter je ein nicht durch diese Fenster führender Leiter parallel geschaltet ist, dessen Material einen positiv temperaturabhängigen Widerstandskoeffizienten besitzt.
Der Betrieb von Pehlerstromschutzschaltern, insbesondere von empfindlichen Fehlerstromschutzschaltern wird besonders bei Netzausläufern dadurch beeinträchtigt, daß bei Gewittertätigkeit unnötige Abschaltungen infolge kurzzeitiger Überspannungen oder/und hochfrequenter Wechselströme erfolgen. Um diesen Nachteil zu beseitigen liegt erfindungsgemäß um den Magnetflußkreis eine Kurzschlußwicklung oder/und es ist parallel zu jeder Fehlerstrom- oder/und Kurzschlußwicklung je ein Kondensator oder/und spannungsabhängiger Widerstand geschaltet.
Der erfindungsgemäße Überspannungsschutz wird beim Redundanz-Fehlerstromschutzschalter nur bei der ersten Abschalteinrichtung angewandt, da bei einem Kondensatorkurzschluß auch die zweite Abschalteinrichtung funktionsunfähig wurde. Aus diesem Grunde ist die Anordnung eines zweiten Sperrmagneten erforderlich. Es ist zweckmäßig für beide Sperrmagneten einen gemeinsamen Dauermagneten zu verwenden.
In der Zeichnung werden die nötigen Erläuterungen gegeben und werden Ausführungsbeispiele der Erfindungsgedanken dargestellt.
Der Übersichtlichkeit halber werden zweipolige Wechselstromanlagen angeführt. Die Zusammenhänge gelten sinngemäß auch bei Drehstromanlagen.
In Fig.1 ist die Arbeitsweise des bekannten Sperrmagneten bei sehr hoher Dur/chflutung wiedergegeben. Vom Dauermagneten (1) wird über beide Polschenkel (2 und 3) ein magnetischer Fluß durch den Anker (4) geleitet und gegen die Federkraft der Feder (5) festgehalten. Durch die beiden Polschenkelfenster (6und 7) ist der stromführende Leiter (8), im Anwendungsfalle die Betriebsstromleiter, geführt. Da die Symmetriefläche der von den beiden Polfensterleitern erregten Sperrmagnetflüsse (9) in der Mitte (10)des Ankers 4 liegt, weiten sich diese Flüsse bei sehr hoher Durchflutung (z.BO bei Erdkurzschluß) bis zu dieser Fläche (10) aus, durchdringen also beide Anker/ Polschenkelflächen und lassen deshalb den Anker nicht abfallen. Der Anker bleibt also angezogen, obwohl er bestimmungsgemäß abfallen und die Abschaltung auslösen sollte.
In Fig.2 ist eine beispielsweise Ausfünrung der erfindungsgemäßen Sperrmagnetanordnung wiedergegeben. Die gestrichelten Linien (11 und 12) geben die Enden der beiden sich überladenden und durch den Ttagnetfluß gegenseitig angezogenen Polschenkel an, die als Flachfedern ausgebildet sind, wieder.
In Fig.3 ist eine Vergrößerung der Draufsicht, d.h. eine Sicht in Richtung der gestrichelten linie (12) angeführt.
Hier sind auch die magnetischen Kraftlinien eingezeichnet, die bei einem sehr hohen Erdkurzschluß, von den Polschenkelfenstern ausgehend, an dieser Stelle auftreten. Da die Kraftlinien aus keiner der beiden Plachfedern austreten, können sie sich auch auscinander bewegen und auf diese Weise (z.B.
durch die Einschaltung eines Kontaktes oder durch Auslösung des Schaltschlosses) die Abschaltung bewirken.
In Fig.4 ist die Gesamtschaltung des erfindungsgemäßen Selbstschalters wiedergegeben.
Die Netzzuleitungen (13 und 14) speisen den Verbraucherwiderstand (15) des geerdeten Verbrauchsgerätes (16). Bei Außenleitererdschluß oder Körperschluß sperren die durch die Polschenkelfenster (6 und 7) geleiteten Netzleitungen den magnetischen Fluß zum Peedkontakt, so daß dieser abfällt und dabei den Schalter (18) schließt. Dadurch wird der Kondensator (19) über das Relais (20) entladen, welches das Schaltschloß ausklinkt und damit die Abschaltung bewirkt0 Der Kondensator (19) wurde vorher bei der Einschaltung des Selbstschalters an das Netz über die Gleichrichterbrücke (21) aufgeladen. Der aufladende Stromstoß bewirkt über die Spule (30) auch eine Magnetisierung des Dauermagneten (1) und eine Wiedereinschaltung des Reedkontaktes (17).
Auf dieselbe Weise, wie oben beschrieben, erfolgt auch eine Abschaltung bei Leiter/l;eiter-Überstrom-bzw. Kurzschluß. Xn diesem Halle erfolgt die Sperrung bei den Polschenkelfenstern (22 und 23) bzw. (24 und 25). Diese Fenster sind so konzipiert, daß die Sperrung erst ab einer bestimmten hohen Stromstärke erfolgt. Durch den parallel geschalteten, positiv temteraturabhängigen Widerstand (26 bzw. 27) erfolgt im unteren Bereich der Abschaltströme eine zeitverzögerte Abschaltung, so daß auf diese Weise eine von der Größe des Überstromes abhängige, zeitlich verzögerte Abschaltung bewirkt wird und auf den sonst üblichen Bimetallschalter verzichtet werden kann. Die Kondensatoren (28 und 29) sollen das Abschalten des Pehlerstromschutzschalters bei kurzzeitigen, vom Netz kommenden Uberspannungen verhindern. Es ist zweckmässig, MP-Kondensatoren mit geringer Nennspannung zu verwenden, weil dann durch selbstheilende Durchschläge die aufgenommene Energie in Wärme umgesetzt wird und so eine nachträgliche Entladung über die Sperrwicklung mit folgender Abschaltung verhindert wird.
Wie bereits erwähnt, erfolgt im Fehlerfalle eine Abschaltung durch die Relaiswicklung (20). In Reihe dazu liegt eine Spulenwicklung (31), welche auf den Reedkontakt (32) einwirkt.
Die Daten der Bauelemente sind so gewählt, daß dieser Reedkontakt, der durch das zweite Polschenkelpaar (33 und 34) beeinflußt wird und bei Fehler- bzw. Überstrom mit Hilfe der Polschenkelfenster (35 und 36, bzw. 37, 38, 39 und 40), ebenso wie das Polschenkelpaar (2 und 3) eine Abschaltung bewirkt, diese Abschaltung zeitverzögert (z.B. nach 100 ms) durchführt, jedoch nur dann, wenn diese Abschaltung durch den Reedkontakt (17) infolge eines Fehlers (z.B. im Schaltschloß) nicht erfolgte und deshalb der Fehlerstrom durch die Polschenkelfenster (35 und 36, bzw. 37, 38, 39 und 40) weiterfließte Der Reedkontakt ist also eine redundante Einrichtung, welche erst bei Versagen der Hauptschalteinrichtung in Funktion tritt. Er löst z.B. durch Aufschlagen der einen Reedkontaktzunge auf das Zündhütchen (41), das anschließend eine kleine Sprengstoffmenge zündet, eine Mini-Sprengung aus, wodurch die Betriebsstromleiter durchgetrennt oder/und aufgetrennt (z.B. durch Betätigung des Schaltschlosses mittels übermäßiger Kräfte) werden. Zusätzlich, d.h. als weitere redundante Einrichtung schließt der zweite Reedkontakt einen Schalter, wodurch die Restladung des Kondensators (19) kurzgeschlossen und auf diese Weise im Reedkontaktbehälter das explosive Gasgemisch gezündet wird.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung liegt darin, daß die irreversible Notabschaltung beim Auftreten eines Fehler- bzw. Überstromes immer dann erfolgt, wenn irgend ein Bauelement funktionsuntüchtig geworden ist bzw.
die für den Kondensator (19) nötige Netzspannung infolge Nichtanschluß des Netzleiters bzw. fehlerhafter Netzleiterunterbrechung nicht anliegt. Die in einem solchen Notfall gewährleistete Abschaltsicherheit hängt lediglich von der Verfügbarkeit des Sprengschalters (32) ab. Diese ist, insbesondere auch wegen der erwähnten, zusätzlichen Redundanz, außerordentlich hoch, im Vergleich zur Verfügbarkeit der übrigen Bauelemente. Insgesamt ist eine höchstmögliche Abschaltsicherheit gegeben, weil das gleichzeitige Nichtfunktionieren der drei Abschalteinrichtungen praktisch unwahrscheinlich ist.
Die hier verwendeten Bauelemente sind relativ klein. Da>'-gegenüber den bekannten Fehlerstromschutzschaltern der relativ große Summenstromwandler eingespart wird, ist mit keiner Vergrößerung des Schalters zu rechnen, eher ist eine Verkleinerung möglich. Nachdem die zum Abfall der Reedkontakte benötigte Auslöseenergie relativ gering ist, kann der Schutzschalter vorzugsweise als empfindlicher Fehlerstromschutzschalter konzipiert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Selbstschalter, insbesondere Fehlerstromschutzschalter, dessen Auslösung nach dem Sperrmagnetprinzip erfolgt und bei dem die Betriebsstromleiter direkt durch die Polschenkelfenster geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschenkel, der Anker und die Betriebsstromleiter so gestaltet und angeordnet sind, daß mindestens eine Polschenkel/Anker-Trennfläche mit der Trennfläche der von den verschiedenen Quellen erzeugten magnetischen Flüsse identisch ist.

2. Selbstschalter, insbesondere Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ende der beiden Polschenkel beweglich ist und dieser bei einer Sperrung des Dauermagnetflusses durch eine Federkraft vom anderen Polschenkelende wegbewegt wird und auf diese Weise direkt oder indirekt eine Abschaltung bewirkt wird.

3. Selbstschalter, insbesondere Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der beiden Polschenkel als Reedkontakte ausgebildet sind, daß sie sich durch den Dauermagnetfluß gegenseitig anziehen und bei Sperrung des Magnetflusses abfallen und auf diese Weise den Abschaltvorgang direkt bzw. indirekt auslösen.

4O Selbstschalter, insbesondere Pehlerstromschutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachsen der Polschenkelfenster in einer Linie, parallel oder nahezu parallel zueinander liegen.

5. Selbstschalter, insbesondere Fehlerstromschutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgehäuse aus magnetisch abschirmendem Material oder mit einem solchen Material ausgekleidet ist.

6. Selbstschalter, insbesondere Behlerstromschutzschalter, welcher mit zwei Abschalteinrichtungen bzw. mit Teilen davon ausgestattet ist, wobei die zweite Abschalteinrichtung zeitverzögert nur dann in Funktion tritt, wenn die erste versagt hat (Redundanz), vorzugsweise nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerung im Pehlerstromfalle durch ein von außen auf die Redundanz-Reedkontakte kurzzeitig einwirkendes Magnetfeld ermöglicht wird, wobei die betreffende Haltespule durch einen von der Netzspannung vorher aufgeladenen und sich schnell entladenden Kondensator gespeist wird.

7. Selbstschalter, insbesondere Pehlerstromschutzschalter, welcher mit zwei Abschalteinrichtungen bzw. Teilen davon ausgestattet ist, wobei die zweite Abschalteinrichtung zeitverzögert durch eine Sprengung nur dann in Tätigkeit gesetzt wird, wenn die erste Abschalteinrichtung versagt hat, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander unabhängige Sprengungen ausgelöst werden, die eine ohne Hilfsenergie, beispielsweise durch Zündhütchenaufschlag bzw0 auf piezoelektrische Weise, wodurch ein Sprengstoff zur Explosion gebracht wird, und die andere mit Hilfsenergie, beispielsweise durch Entladung eines Kondensators über eine Funkenstrecke bzw. über einen Glühdraht, wodurch das in einem Behälter untergebrachte Gasgemisch zur Explosion gebracht wird.

8. Selbstschalter, insbesondere Pehlerstromschutzschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der feste und der gasförmige Sprengstoff gemeinsam in einem Reedkontaktbehälter untergebracht sind und die Sprengung durch die Reedkontakte ausgelöst wird.

90 Selbstschalter, insbesondere Pehlerstromschutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem der durch die Kurzschlußfenster führenden Betriebsstromleiter je ein nicht durch diese Fenster führender Leiter parallel geschaltet ist, dessen Material einen positiv temperaturabhängigen Widerstandskoeffizienten besitzt.

10. Selbstschalter, insbesondere Pehlerstromschutzschalter, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu jeder Fehlerstrom- oder/und Eurzschlußwicklung je ein Kondensator oder/ und spannungsabhängiger Widerstand geschaltet ist.

*um den Magnetflußkreis eine Kurzschlußwicluwg liegt oder/ und

11. Selbstschalter, insbesondere Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung nach Anspruch 10 nur bei der nicht zeitverzögerten Abschalteinrichtung vorgesehen ist und für die zeitverzögerte Abschalteinrichtung ein eigener Sperrmagnet vorgesehen ist, wobei vorzugsweise beide Sperrmagneten einen gemeinsamen Dauermagneten besitzen.

Leerseite