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Fehlerstromschutzschalter Die Erfindung bezieht sich auf einen Fehlerstromschutzschalter
zum Abschalten elektrischer Anlagen beim Auftreten eines Fehlerstromes mit einem
Stromwandler und einem zusätzlichen Transformator.
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Fehlerstromschutzschalter sind üblicherweise zur Erfassung des Fehlerstromes
und zugleich zur Energiezufuhr für das Auslöseglied mit einem Wandler in der Form
eines Ringbandkernes versehen. Dieser Ringbandkern bietet gunstige Voraussetzungen
für die Energieübertragung. Durch das Aufwickeln von Bändern aus Material hoher
Permeabilität erhält man auch bei wenigen Windungen des Hauptstrompfades verhältnismäßig
hohe Induktititäten, zumal in Richtung der magnetischen Feldlinien kein Luftspalt
auftritt. Nachteilig ist bei diesen Ringbandkernen, daß die Windungen einzeln durchgefädelt
werden müssen. Der Aufwand für die Herstellung erhöht sich deshalb mit der Windungszahl,
die entsprechend begrenzt ist, wodurch sowohl der Bereich der Ausgangsspannung des
Wandlers als auch die absolute Höhe dieser Spannung gering ist.
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Man könnte zwar den Ringbandkern durch einen Transformatorkern ersetzen;
dann braucht man aber zur Herstellung einer Induktivität, deren Größe unmittelbar
die Ausgangsleistung beeinflußt, eine wesentlich höhere Primärvindungszahl als bei
einem Ringbandkern.
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Transformatorkerne bestehen nämlich im allgemeinen aus einem Material
mit verhältnismäßig geringer Permeabilität, die durch Luftspalte noch weiter vermindert
wird. Darüber hinaus müssen die Primärleitungen Nennströme in der Größenordnung
von mehr als 10 A führen und es sind somit große Querschnitte erforderlich, die
einen entsprechenden Raum benötigen.
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Eine bekannte Auslöseschaltung für Leistungsschalter enthält einen
Stromwandler,
in dessen Sekundärkreis wenigstens ein zusätzlicher Transformator enthalten ist.
Diese Auslöseschaltung dient als Erdschlußschutz. Falls ein Fehlerstrom zur Erde
auftritt, wird durch einen Spannungswandler eine Fehlerspannung gebildet. In einer
Vergleichsschaltung wird die Phasenlage der Fehlerspannung mit der Phasenlage eines
Fehlerstromes verglichen, der von dem Stromwandler geliefert wird. Die vom Sekundärkreis
des Stromwandlers gespeiste Vergleichsschaltung kann auch noch mehrere zusätzliche
Transformatoren enthalten (deutsche Auslegeschrift 1 198 446).
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Ein bekannter Fehlerstromschutzschalter enthält im Sekundärkreis eines
Stromwandlers einen zusätzlichen Transformator, dessen Primärwicklung im Steuerkreis
eines elektronischen Verstärkers angeordnet ist. Dieser Transformator hat die Aufgabe,
eine Rückkopplung im Stromkreis eines Auslösemagneten für einen Leistungsschalter
zu bilden. Zu diesem Zweck ist die Sekundärwicklung des zusätzlichen Transformators
mit dem Lastkreis des Verstärkers und einer Kapazität in Reihe geschaltet. Aufgrund
der Rückkopplung zwischen dem Kollektorkreis und dem Basiskreis des Verstärkers
über den zusätzlichen Transformator wird ein Wechselstrom aufgeschaukelt, der den
Auslösemagneten zum Ansprechen bringt. Die zur Betätigung des Auslösers erforderliche
Energie wird von der Kapazität geliefert, die von einer zusätzlichen Spannungsquelle
geladen wird (deutsche Auslegeschrift 1 190 554).
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Fehlerstromschutzschalter
zu schaffen, der auch bei einem sehr geringen Fehlerstrom die zur Auslösung erforderliche
Energie überträgt. Mit den bekannten Fehlerstromschutzschaltern erhält man beispielsweise
mit einem Auslösestrom von etwa 30 mA im Sekundärkreis des Stromwandlers eine Auslöse
spannung von etwa 20 mV. Es wurde nun erkannt, daß auch geringere Fehlerströme,
die beispielsweise über einen menschlichen Körper abgeleitet werden, bereits eine
Schockwirkung im Organisamus hervorrufen können. Mit einem geringeren Strom erhält
man aber auch eine entsprechend verminderte Spannung im huslöserstromkreis und die
übertragene Energie reicht zur Betätigung des Auslösers nicht mehr aus. Enthält
der Auslöserstromkreis beispielsweise elektronische Schaltelemente mit einer Sperrschicht,
so
muß die Spannung im Sekundärkreis des Wandlers die Schwellspannung dieser Schaltelemente
überschreiten. Die Spannung im Sekundärkreis des Stromwandlers muß somit größer
als 100 mV sein.
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Die genannte Aufgabe wird bei einem Fehlerstromschutzschalter der
eingangs genannten Art deshalb erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zusätzliche
Transformator zur Ubertragung der zur Betätigung des Auslösers erforderlichen Stromstärke
bzw. der Spannung vorgesehen ist. Er muß somit die notwendige Energie übertragen
und die Ausgangsspannung des Stromwandlers entweder soweit herabtransformieren,
daß damit ein Auslöser mit hohem Strom gespeist werden kann oder so weit herauftransformieren,
daß ein Auslöser bzw. eine Auslöseschaltung mit hoher Spannung gespeist werden kann,
ohne daß die Wicklungen des Stromwandlers eine begrenzte Zahl von Windungen überschreiten.
Die Primärwicklung des Zusatztransformators wird in Verbindung mit seinem Kern so
gewählt, daß die im Sekundärkreis gelieferte Leistung bei geringem Strom zur Betätigung
des Auslösers ausreicht. Enthält der Auslöser und damit der Sekundärkreis des zusätzlichen
Transformators elektronische Bauelemente, so wird die Sekundärspannung so gewahlt,
daß sie wesentlich größer ist als die Schleusenspannung oder Restspannung dieser
elektronischen Bauelemente und die letzteren insbesondere möglichst um ein Vielfaches
Ubertrifft, damit-die Verluste begrenzt werden.
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Der Transformator kann aber auch so ausgelegt werden, daß er bei verhältnismäßig
kleiner Spannung einen hohen Strom liefert, der ausreicht zur direkten Speisung
des elektromagnetischen Auslösers eines Leistungsschalters.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in der zwei Ausführungsbeispiele der Schaltung eines Fehlerstromschutzschalters
nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind. Figur 1 zeigt die Speisung
eines Auslösers mit direkter Speisung eines Auslösers mit einem zusätzlichen Transformator
nach der Erfindung. In Fig. 2 ist eine besondere Ausführungsform mit einer Speicherkapazität
veranschaulicht.
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In Figur 1 sind zwei mit 2 bzw. 4 bezeichnete Primärleiter eines Strompfades
von einem Laststrom I durchflossen, dessen Richtungssinn in der Figur durch entsprechende
Pfeile angedeutet ist. Diese Leiter 2 und 4 dienen als Primärleiter für einen Stromwandler
6 mit einem Kern 8, der vorzugsweise ein Ringbandkern sein kann und der mit vorzugsweise
wenigstens 2, insbesondere bis zu etwa 20 Sekundärwindungen versehen ist. An die
Sekundärwicklung 10 ist die Primärwicklung 12 eines zusätzlichen Transformators
14 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung 16 einen Auslöser 20 speist, dessen Einzelteile
zur Vereinfachung lediglich als Lastwiderstand 18 dargestellt sind.
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Die Sekundärwicklung 10 des Stromwandlers 6 soll-beispielsweise 10
Windungen enthalten. Würde man dann den Sekundärkreis des Stromwandlers 6 anstelle
der Primärwlcklung 12 des zusätzlichen Transformators 14 mit einem in der Figur
nicht dargestellten Lastwiderstand von beispielsweise 14 Ohm abschließen, so würde
man mit einem im Leiter 2 oder 4 fließenden Fehlerstrom von 27 mA an dem Lastwiderstand
eine Spannung von 24 mV erzeugen und damit eine Leistung von 41 uW übertragen.
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Dagegen erhält man bei gleichem Fehlerstrom in der Anordnung nach
der Erfindung mit einem Lastwiderstand 18 von beispielsweise 1,9 k0hm und mit 10
Windungen der Primärwicklung 12 des Transformators 14 eine Spannung U12 an der Primärwicklung
12 von 26 mV und eine Sekundärspannung U16 von 220 mV, die als Eingangsspannung
am Auslöser 20 wirksam ist.
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Die gegebenen Fehlerströme, Wandler und Lastwiderstände lassen sich
mit Hilfe des zusätzlichen Transformators leicht optimieren.
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Durch entsprechende Auslegung des Stromwandlers und des zusätzlichen
Transformators kann man ohne Schwierigkeit eine Eingangsspannung des Auslösers 20
von 1 V erreichen.
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Ebenso ist es möglich, daß bei vorhandenen Konstruktionen, die bereits
mit einer vorbestimmten Anzahl Sekundärwindungen auf dem Kern des Wandlers 6 versehen
sind, die Montagekosten gesenkt werden können. Dies ist dadurch erreichbar, daß
man sich auf wenige, insbesondere bis zu 10 Sekundärwindungen beschränkt und als
zusätzlichen Transformator 14 einen handelsüblichen Transformator
nachschaltet.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist nur jeweils eine Windung der
Primärleiter 2 und 4 des Stromwandlers 6 vorgesehen. Der Wandler 6 kann aber auch
mehrere Primärwindungen je Leiter enthalten.
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In der besonderen Ausführungsform eines Fehlerstromschutzschalters
nach Fig. 2 ist im Sekundärkreis des zusätzlichen Transformators 14 eine Auslöseschaltung
für den als Relaisspule dargestellten elektromagnetischen Auslöser 20 mit einer
Speicherkapazität 22 vorgesehen, der eine Gleichrichterschaltung 24 zugeordnet ist,
die eine Diode 25 enthält und mit deren Hilfe die Kapazität 22 von der Sekundärspannung
U16 der Sekundärwicklung 16 des Transformators 14 geladen wird. An die Speicherkapazität
22 ist der elektromagnetische Auslöser 20 in Reihe mit einer elektronischen Steuerschaltung
26 angeschlossen, die in der Figur als Thyristor dargestellt ist.
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Durch die Sekundärspannung U16 des Transformators 14 wird die Speicherkapazität
22 aufgeladen, wenn im Primärleiter 2 oder 4 ein Fehlerstrom fließt. In Abhängigkeit
von einer vorbestimmten Spannung der Speicherkapazität 22 läßt die elektronische
Steuerschaltung 26 den Strom über den Auslöser 20 fließen.
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Die in Figur 2 dargestellte Gleichrichterschaltung 24 kann beispielsweise
auch eine Doppelweggleichrichtung oder eine Spannung vervielfacherschaltung, insbesondere
eine Spannungsverdopplerschaltung enthalten.
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Die Ausf-hrungsformen mit einer Speicherkapazität im Sekundärkreis
des Transformators 14 haben den Vorteil, daß von dem Stromwandler 6 und dem Transformator
14 nur eine verhältnismäßig geringe Leistung zu übertragen ist. Die Speicherkapazität
wird während mehrerer Perioden des Fehlerstromes aufgeladen und über den Auslöser
20 entladen, sobald die für den leistungsstarken Auslöser notwendige Energie gespeichert
ist. Bei einem Fehlerstrom von 20 mA kann die Ladezeit der Kapazität und damit die
Zeit bis zum Abschalten der Anlage beispielsweise 0,5 Sekunden betragen.
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3 Patentansprüche 2 Figuren