DE2555303B2

DE2555303B2 - Fehlerstromschutzschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2555303B2
Application number: DE19752555303
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Herbert 6901 Eppelheim Ebel
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1975-12-09
Filing date: 1975-12-09
Publication date: 1981-06-19
Also published as: DE2555303A1; DE2555303C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fehlerstromschutzschaltungsanordnung für Gleich und/oder Wechselstromverbraucher mit einem Summenstromwandler, dessen Primärwicklung von den Hauptleitern eines die Verbraucher speisenden Netzes gebildet und dessen Sekundärwicklung über einen Gleichrichter und einen Verstärker mit einem Auslöser verbunden ist und der eine Hilfswicklung aufweist, die mit einem Generator zur Erzeugung einer Wechselstromvormagnetisierung des Summenstromwandlers verbunden ist, deren Frequenz groß ist gegenüber der Netzfrequenz. Eine solche Schutzschaltungsanordnung ist aus der nachstehend erörterten GB-PS 11 08 356 bekannt

Nach den heutigen Vorschriften wird bei vielen elektrischen Installationen gefordert, daß die Ströme, die von einem Verbraucher direkt zur Erde abfließen oder einen äderen Rückweg als über einen Außen- oder den Mittelpunktsleiter nehmen, eine bestimmte Schwelle nicht überschreiten dürfen, da sonst ein Mensch oder Tier gefährdet werden kann. Diese Schwelle liegt im Bereich von einigen Milliampere.

Zur Erfassung von Wechselstrom-Fehlerströmen werden die Außenleiter und der Mittelpunktleiter durch einen Summenstromwandler hindurchgefühn. Im Ruhezustand, wenn also kein Fehlerstrom vorhanden ist, ist in jedem Augenblick die Summe aller Ströme, die den Summenstromwandler durchsetzen, gleich Null und daher wird im Kern des Wandlers kein magnetischer Fluß induziert, so daß an der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers auch keine Spannung induziert werden kann. Tritt nun ein Fehlerstrom auf, so ist die Summe aller Ströme, die den Summenstromwandler durchsetzen, ungleich Null und es tritt in der Sekundärwicklung des Wandlers eine Spannung bzw. ein Strom auf, mit dem, eventuelle nach entsprechender Verstärkung, ein Auslöser für einen Schutzschalter betätigt werden kann.

Es ist weiterhin eine Fehlerstromschutzschaltung bekanntgeworden (DAS 19 04 394, mit der zusätzlich auch Gleichfehlerströme erfaßt werden können. Dabei wird auf einen Summenstromwandler eine Vormagnetisierungswicklung aufgebracht, welche aus einer Hilfsspannungsquelle gespeist ist. Da der Vormagnetisierungsstrom direkt dem Netz entnommen ist, schwinkt der Vormagnetisierungsstrom mit einer Frequenz von 50 Hz. Am Summenstromwandler wird über einer Sekundärwicklung eine Sekundärspannung abgenommen und deren Änderung infolge von Fehlerströmen durch ein Auswertegerät ausgewertet Dabei befindet

ίο sich parallel zu der Sekundärwicklung, an der die Sekundärspannung abgenommen werden kann, ein Gleichrichter, dessen Gleichstromausgang auf das Auswertegerät geschaltet ist Die angegebene Schaltung gibt bei verschiedenen Fehlerstromarten unterschiedliche Arten von Signalen ab: Bei Gleichstrom Fehlerströmen eine kleinere und bei Wechselstrom-Fehlerströmen eine höhere Ausgangsspannung. Das angeschlossene Auswertegerät wurde daher kompliziert weil es zwei Schwellwerte bilden mußte. Wegen dieses besonderen Auswertegerätes ist die Fehlerstromschutzschaltung gem. der DE-AS 19 04 394 nicht realisiert worden. Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, daß eine Wechselstrom-Fehlerstrom-Erfassung nur in einer ganz bestimmten Phasenlage korrekt erfolgt Für Mehrphasenstrom ist diese Einrichtung nicht geeignet.

Eine weitere Schaltungsanordnung ist durch die DE-AS 19 05505 bekanntgeworden, bei welcher auch eine Vormagnetisierung mit einem besonderen Generator und einer von der Netzfrequenz abweichenden Frequenz vorgeschlagen wird. Dabei ist die Vormagnetisierungsfrequenz beispielsweise mehrere Male so hoch wie die Netzfrequenz. Allerdings wird gem. der DE-AS 19 05 505 offensichtlich bereits durch die Vormagnetisierung die für den Auslöser benötigte Energie geliefert.

Daher läßt sich die angegebene Schaltung auch nicht für verschiedene Arten von Fehlerströmen mit annähernd gleicher Empfindlichkeit verwirklichen.

Es ist ferner eine Schaltungsanordnung zur Erfassung von Wechselstrom-Fehlerströmen bekanntgeworden (GB-PS 11 08 356), die einen Summenstromwandler besitzt, dessen Primärwicklung von den Phasenleitern gebildet und dessen Sekundärwicklung über einen Verstärker, eine Begrenzungseinrichtung, einen Transformator und einen Gleichrichter auf ein Relais geschaltet ist. Der Summenstromwandler wird über eine Hilfswicklung periodisch mit etwa 1000 Hz vormagnetisiert. Bei Auftreten eines Fehlerstromes wandert der Kern weiter in die Sättigung, was dazu führt, daß die

so hochfrequente Ausgangsspannung in der Sekundärwicklung absinkt. Dies führt einfach zum Abfallen der Haltespannung des Relais, so daß dieses in Ausschaltstellung geht. Diese Schaltungsanordnung besitzt hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegenüber kurzzeitigen Fehlerstromimpulsen Ansprechgrenzen, die durch die Abfallverzögerung des Relais und dadurch gegeben sind, daß der Relaishaltestrom ein Gleichstrom ist, der durch Gleichrichtung des übertragenen Signals hergestellt wird und zur Stabilisierung der Halteeigenschaften des Relais in der Regel durch Glättungseinrichtungen zur Überbrückung kurzer Ausfallzeiten geglättet sein muß.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der dem Relais nicht die sekundärseitig anstehende Meßspannung, sondern eine von dieser Spannung unabhängige Spannung zugeführt wird, so daß auch sehr kurze Fehlerstromimpulse, wie sie z. B. bei Phasenan-

schnittswinkeln mit 150° entstehen, sicher ausgelöst werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zu dem Gleichrichter ein R-C-Cüed, dessen Zeitkonstante etwa der Periodendauer der Vormagnetisierungsschwingung entspricht, angeordnet ist, und daß parallel zu dem Ä-C-Glied eine Diskriminatorschaltung angeschlossen ist, die einen Verstärker aufweist, der eine komplementäre Transistorschaltung besitzt, derart, daß bei Absinken der Spannung am R-C-Giied unter einen Grenzwert die Diskriminatorschaltung einen Auslöseimpuls abgibt.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird der Effekt ausgenutzt, daß jede Art von Fehlerströmen (auch Impuls-Fehlerströme) das durch den Summenstromwandler aufgrund der Vormagnetisierung übertragene Signal wenigstens kurzzeitig verkleinert und durch die Diskriminatorschaltung jedes — auch kurze — Absinken dieser Signalspannung zur Anzeige benutzt wird.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch sehr kurze Fehlerstromimpulse, wie sie z. B. bei einer Phasenanschnittssteuerung mit einem Anschnittswinkel von 150° entstehen, noch sicher ausgelöst werden. Dadurch wird eine vorteilhafte Unabhängigkeit von der niemals genau reproduzierbaren Abfallverzögerung des Relais erreicht und es scheidet die Gefah- der Veränderung derselben durch Abnutzung oder Verschmutzung der mechanischen Relaisteile aus. Während bei der Schaltungsanordnung nach der GB-PS 11 08 356 das Relais praktisch direkt durch die verstärkte Meßspannung angesteuert wird, wird das Relais erfindungsgemäße indirekt durch die von der Meßspannung unabhängige Versorgungsspannung betätigt.

Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschaltungsanordnung,

F i g. 2 eine Diskriminatorschaltung für die Fehlerstromschutzschaltungsanordnung gem. F i g. 1, und

Fig. 3 Kurvendarstellungen der Spannung am R-C-GWcd bei der Fehlerstromschutzschaltungsanordnung mit dem Diskriminator gem. Fig.2, für unterschiedliche Zustände.

Eine Fehlerstromschutzschaltung gemäß der F i g. 1 besitzt einen Summenstromwandler 1, dessen Primärwicklung durch die Leiter 2 und 3 eines Wechselstromnetzes gebildet sind. In diese Leiter 2 und 3 ist eine Auslöseeinrichtung 4 eingeschaltet, welche aus Trennkontakten 5, einem Schaltwerk 6 und einem Magnetauslöser 7 besteht. Der Summenstromwandler 1 besitzt eine erste Hilfswicklung 8, auch Vormagnetisierungswicklung 8 genannt, die mit einem Frequenzgenerator 9 verbunden ist, der seine Energie aus dem Netz, d. h. von den Leitern 2 und 3 über elektrische Zuleitungen 10 bezieht. Weiterhin besitzt der Summenstromwandler 1 eine Sekundärwicklung 11, welche auf die Eingangsklemmen 12 und 13 eines AusWertegerätes 14 geschaltet ist. Das Auswertegerät 14 bezieht seine Energie über Leitungen 15 ebenfalls von den Leitern 2 und 3. Die Ausgangsklemmen 16 und 17 des Auswertegerätes 14 sind mit dem Magnetauslöser 7 direkt verbunden.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung wird nun anhand der F i g. 2, welche der Ausführung gemäß der Fig. 1 in detaillierterer Form entspricht, näher erläutert Der Frequenzgenerator 9 erzeugt eine Frequenz, die ein Mehrfaches von 50 Hz ist beispielsweise 1000 Hz. Über die Hilfswicklung 8 wird im Summenstromwandler 1 eine 1000 Hz-Wechselvormagnetisierung erzeugt Diese Magnetisierung ist so groß gewählt daß wenigstens der lineare Bereich von Induktion und Feldstärke des Summenstromwandler 1 vollständig ausgesteuert wird; benutzt man einen Kern aus einem hochpermeablen Eisen-Nickel-Werkstoff, dann wird auf etwa 3000 Gauß ausgesteuert wobei man etwa 20 Milliampere pro cm Eisenweg benötigt Die Sekundärwicklung 11 besitzt eine Windungszahl, die so hoch ist, daß sie infolge der Wechselstromvormagnetisierung des Summenstromwandlers 1 mit 1000 Hz eine Wechselspannung von einigen Volt ergibt z. B. 100 Windungen. An die Sekundärwicklung 11 ist ein Zweiweggleichrichter 32 geschaltet der aus vier entsprechend einer Graetzschaltung geschalteten Dioden gebildet ist Die in der Sekundärwicklung U erzeugte Wechselspannung wird in dem Gleichrichter 32 gleich-gerichtet, so daß am Gleichrichterausgang eine positive Halbwellenspannung ansteht Parallel zu dem Gleichstromausgang des Gleichrichters ist ein Ä-C-GIied 33 geschaltet dessen Zeitkonstante klein ist gegen die Periodendauer des Netzwechselstromes, jedoch andererseits so groß, daß die Spannung zwischen den Halbwellen der mit 2000 Hz pulsierenden Spannung nicht auf einen kleinen Bruchteil absinkt. Die Zeitkonstante dieses Ä-C-Gliedes 33, dessen Kondensator 33a und Widerstand 336 parallel geschaltet sind, beträgt beispielsweise 1 ms, wobei C = 0,02 μΡ, R = 25 kil Die Spannung am Λ-C-Glied 33 wird an den Eingang eines elektronischen Verstärkers angelegt, welcher in der F i g. 2 mit der Ziffer 34 bezeichnet und an dessen Ausgang der Magnetauslöser 7 geschaltet ist Der Aufbau dieses Verstärkers 34 ist folgendermaßen: Er besitzt einen Eingangstransistor 341, dessen Kollektor auf die Basis eines zweiten Transistors 342 geschaltet ist, wobei der Eingangstransistor 341 in Emitterschaltung arbeitet; der Emitter des Transistors 341 ist auf den Emitter des Transistors 342 geschaltet Der Kollektor des Transistors 341 ist an die Betriebsspannung Ub (— 24 V) gelegt, wobei in dieser Richtung ein Ableitwiderstand 343 eingefügt ist. Der Kollektor des Transistors 342 ist ebenfalls an die Betriebsspannung U_B angeschlossen, wobei sich in dessen Leitung ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen 344 und 345 befindet Die Basis des Transistors 341 und der Kollektor des Transistors 342 sind über einen Widerstand 346 und einen Kondensator 47 miteinander verbunden, damit auch bei kurzem Absinken der Eingangsspannung durch Rückkopplung ein genügend langer Stromimpuls auf den Magnetauslöser 7 gegeben wird. Zwischen den beiden Widerständen 344 und 345 ist die Basis eines Ausgangstransistors 348 geschaltet, dessen Emitter mit der Betriebsspannung Ub verbunden ist und in dessen Kollektor über einen Ableitwiderstand 349 an den Magnetauslöser 7 geschaltet ist. Der andere Pol des Verbrauchers, d. h. des Magnetauslösurs 7 liegt an der Masseleitung 35. Die Wirkungsweise dieses Verstärkers ist folgende: Solange die Eingangsspannung, d. h. die gleichgerichtete und durch das Ä-C-Glied 33 belastete Spannung zwischen den Klemmen 3410 und 3411 über einem bestimmten Grenzwert .Y Hegt, wird am Ausgang, d. h. am Auslöser 7, kein Strom abgegeben. Sinkt die Eingangsspannung unter den Grenzwert X und sei es auch nur kurzzeitig, so gibt der Verstärker einen Stromimpuls über den Magnetauslöser ab, der zur Auslösung desselben ausreicht, der mindestens ca.

10 MiIIi Sek., beispielsweise auch langer, z. B. I Sekunde anhält. Solange also kein Fehlerstrom auftritt, liegt am Λ-C-Güed 33 eine mit 2000 Hz pulsierende Gleichspannung ausreichender Höhe über dem Grenzwert X(siehe F i g. 3, bei der diese Spannung über der Zeit T aufgetragen ist, Fall A). Diese Spannung sorgt im Verstärker 34 dafür, daß der Ausgangstransistor 348 sperrt, so daß am Magnetauslöser 7 keine Spannung ansteht. Entsteht beispielsweise ein Gleichstrom-Fehlerstrom, dann wird der Summenstromwandler 1 weiter entweder in positiver oder in negativer Richtung in die Sättigung gesteuert, so daß die am Λ-C-Glied 33 anstehende Spannung absinkt Sinkt nun diese Spannung unterhalb die innerhalb des Verstärkers 34 gebildeten Referenzspannung X₁ auch Grenzwert X genannt, ab, dann wird der Ausgangstransistor 348 durchgesteuert; über den Magnetauslöser 7 fließt ein Auslösestrom (F i g. 3, Fall B).

Tritt ein Wechselfehlerstrom auf, dann sinkt die 2000 Hz-Spannung am /?-C-Glied 33 nur während einiger Perioden der 2000 Hz Frequenz entsprechend den Augenblickswerten des Fehlerstromes unter den Grenzwert X(FaIl C, F i g. 3); auch dann fließt über den Magnetauslöser 7 ein Spannungsimpuls, der zur Auslösung ausreicht. Auch bei kurzen Impulsen, wie sie beispielsweise bei Fehlerströmen in Phasenanschnittsteuerungen auftreten, kommt es durch Abfall der Spannung am /?-C-Glied 33 zum Ansprechen des Verstärkers 34, wobei es davon abhängt, wie das /?-C-Glied 33 dimensioniert ist Unter Umständen kann durch entsprechende Dimensionierung des Ä-C-Gliedes 33 und des Verstärkers 34 eine Empfindlichkeit für Impulse von 1 bis 2 MiIIi Sek. erreicht werden (Fall D der F i g. 4).

Wie aus der F i g. 2 zu ersehen ist, ist der Widerstand des /?-C-Gliedes 33 als Potentiometer ausgebildet; er dient als Eingangspotentiometer, Einstellglied und Basis-Emitterwiderstand für den Transistor 341.

In der dargestellten Schaltung bekommt der Magnetauslöser 7 im Falle eines Fehlerstromes einen Impuls. Die Schaltung kann selbstverständlich auch in umgekehrter Richtung arbeiten, so daß ein Ruhestromauslöser verwendet wird und vom Verstärker solange Strom über den Auslöser, d. h. den Magnetauslöser 7, geliefert wird, wie kein Fehlerstrom fließt. Eine solche Schaltung hat den Vorteil, daß kein Zustand auftreten kann, in dem durch Netzausfall oder Unterspannung kein Schutz , vorhanden ist. In einem solchen Fall löst der Auslöser aus und trennt so die Anlage vom Netz ab.

Als Generator 9 kann jede Art eines Generators verwendet werden; es ist jedoch günstig, daß dieser Generator annähernd eine Sinus-Frequenz abgibt.

πι Die Speisung für den Verstärker, d.h. für das Auswertegerät 14 und den Generator 9 kann in bekannter Weise mittels Transformator und Gleichrichter oder auch durch Kondensator-Spannungsteilung und Gleichrichtung vorgenommen werden (nicht

Ii gezeigt).

Der Grundgedanke der Diskriminatorschaltung, wie sie in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist, ist der, die übertragene 1000 Hz-Spannung gleichzurichten und auf ein R-C-Glied mit einer Zeitkonstante zu geben, die etwa der Periodendauer der Schwingung entspricht. Dadurch ergibt sich war ein Absinken der Spannung während zweier Halbwellen; jedoch ist der untere Spannungswert bei Fehlen von Gleichströmen immer genau definiert und sinkt nie unter diesen Wert ab. Jede Art von Fehlerstrom, auch ein Impuls, wenn er nur etwa die Länge einer Halbwelle hat, stört über die Magnetisierungskennlinie des Wandlers die Sekundärwicklung. Damit sinkt die Spannung am Λ-C-Glied mindestens kurzzeitig ab. Der angeschaltete einfache elektronische Verstärker, der mit der Bezugsziffer 34 bezeichnet ist, ist, wie oben erwähnt, so ausgelegt, daß er bei Unterschreiten eines Schwell- oder Grenzwertes X einen Stromstoß auf den Magnetauslöser 7 abgibt

Der Generator kann vereinfacht auch so ausgebildet

sein, daß er eine verhältnismäßig geringe Frequenz auf die Vormagnetisierungswicklung gibt. Grundvoraussetzung ist allerdings, daß diese Generatorfrequenz von der Netzfrequenz verschieden ist. Vorteilhaft kann sie beispielsweise die dritte Oberwelle der Netzfrequenz (150 Hz) aufeisen. Sie könnte auch so gewählt sein, daß ihre Periodendauer der Dauer des kürzesten, zu erwartenden Fehlerstromimpulses entspricht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Fehlerstromschutzschaltungsanordnung für

Gleich- und/oder Wechselstromverbraucher mit einem Summenstromwandler, dessen Primärwicklung von den Hauptleitern eines die Verbraucher speisenden Netzes gebildet und dessen Sekundärwicklung über einen Gleichrichter und einen Verstärker mit einem Auslöser verbunden ist und der eine Hilfswicklung aufweist, die mit einem Generator zur Erzeugung einer Wechselstromvormagnetisierung des Summenstromwandlers verbunden ist, deren Frequenz groß ist gegenüber der Netzfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Gleichrichter (32) ein Λ-C-Glied (33), dessen Zeitkonstante etwa der Periodendauer der Vormagnetisierungsschwingung entsprich», angeordnet ist, und daß parallel zu dem Ä-C-Glied eine Diskriminatorschaltung (34) angeschlossen ist, die einen Verstärker (34) aufweist, der eine komplementäre Transistorschaltung besitzt, derart, daß bei Absinken der Spannung am Ä-C-Glied unter einen Grenzwert die Diskriminatorschaltung einen Auslöseimpuls abgibt.