DE2713043C2

DE2713043C2 - Fehlerstrom-Schutzschalter

Info

Publication number: DE2713043C2
Application number: DE19772713043
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 8000 München Kienberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1977-03-24
Publication date: 1983-05-05
Also published as: DE2713043A1

Description

25

Die Erfindung bezieht sich suf einen Fehlerstrom-Schutzschalter für elektrische Netzgeräte, der auf einem Magnetkern für jede Anschlußleitung des Netzgerätes eine Stromwicklung für gleiche magnetische Flußrich- _!0 tung und eine als Sättigungs-Drosselwicklung ausgeführte dritte '''icklung trägt, welche Sättigungs-Drosselwicklung mit einem Kondenstor in Reihe liegt und einen Schwingkreis bildet und im Schwingkreis Auswerte-Schaltmittel vorgesehen sind, die zu einer Abschaltung des Netzgerätes beim Ansprechen des Fehlerstrom-Schutzschalters führen.

Ein derartiger Fehlerstrom-Schutzschalter ist bereits aus der DE-OS 20 36 487 bekannt. Eine Variante des bekannten Schutzschalters enthält einen Kondensator, der in Serie zur Drosselwicklung liegt. Ein aus dem Kondensator, der Drosselwicklung und der Erregerwicklung eines Auslösemagneten bestehender Schwingkreis ist auf Resonanz abgestimmt. Hierdurch soll die Spannung an der Erregerwicklung des Auslösemagneten soweit angehoben werden, daß auch bei einem aus pulsierendem Gleichstrom bestehenden Fehlerstrom der Schalter ausgelöst wird.

Ferner ist es aus der DE-OS 24 29 446 bereits bekannt, einen Fehlerstromschutzschalter für Wechselstrom mit Hilfe eines Zusatzteiles nachträglich so umzurüsten, daß eine Auslösung auch bei Gleichstrom stattfindet. Dabei führt eine zusätzliche Steuerleitung vom Zusatzteil zu einem Nulleiter bzw. Mittelpunktleiter.

Bei Gehäuseschluß an elektrischen Geräten mit direkt, d. h. ohne galvanische Trennung an der Netzwechselspannung betriebenen elektronischen Schaltungen können verschiedene Fehlerstromarten wie reiner Wechselstrom, pulsierender Gleichstrom oder reiner Gleichstrom auftreten. Es sind bereits Fehlerstromschutzschalter bekannt, die jedoch lediglich Fehlerwechselströme erfassen. Dadurch entsteht ein erhebliches Sicherheitsrisiko beim Betrieb der Netzgeräte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen allstromempfindlichen Fehlerstrom-Schutzschalter zu schaffen, der auch bei einer eingangsseitig vorgesehenen Brückengleichrichter- oder Spannungsverdopplerschalmng der Netzgeräte wirksam ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Drosselwicklung an eine konstante rechteckförmige Hilfswechselspannung angeschlossen ist und daß die Auswerte-Schaltmittel zur Erfassung sprunghafter Änderungen des Schwingkreisstromes ausgebildet sind. Dabei kann die Abschaltung direkt erfolgen oder indirekt durch Auslösung eines niederohmigen Kurzschlusses zwischen den Anschlulileitungen zur Unterbrechung der AnschluQleitungen mittels einer Gerätesicherung.

Die durch einen Fehlerstrom verursachte Änderung der Vormagnetisierung im Ringkern bewirkt sprunghafte Änderungen des Schwingkreisstromes, so daß sich eine hochempfindliche Abschaltsteuerung ergibt Unter Verwendung von nur einem Ringkern lassen sich mit dieser Einrichtung alle vorkommenden Fehlerstromarten beherrschen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß als Ringkern eine ggf. am Geräteeingang ohnehin zur Funkentstörung erforderliche Drossel Verwendung finden kann, die nur noch mit einer Sättigungsdrosselwicklung versehen zu werden braucht Der eigentliche Bauteileaufwand für den Abschaltzusatz kann sich daher auf die Komponenten für die Auslöseschaltung reduzieren.

Aufgrund der in der Schaltung benötigten Hüfsspannung kann es zweckmäßig sein, die allstromempfindliche Abschalteinrichtung als geräteseitigen Abschaltzusatz zu einem bereits allgemein verwendeten Fehlerstromschutzschalter vorzusehen. Die von den bekanntem Fehlerstrom-Schutzschaltern erfaßbaren Fehlerströme kommen bei Gehäuseschluß in Schaltnetzgeräten nur zustande, wenn die Netzwechselspannung zweipolig am Geräteeingang anliegt, d. h. wenn keine Nulleiterunterbrechung vorliegt Aus diesem Grunde kann die Verwendung einer Hüfsspannung in der erfindungsgemäßen Schaltung kein zusätzliches Sicherheitsrisiko darstellen. Eine Unterbrechung des Nulleiters hätte zwar den Ausfall der Heizspannung im Gerät zur Folge. Der dann auftretende Fehlerstrom würde jedoch bei nicht zu großer Vorlast im Netzteil des Netzgerätes einen genügend großen Wechselstromantei! aufweisen, der die Auslösung eines z. B. in der Hausinstallation vorgesehenen Fehlerstrom-Schutzschalters zur Folge hätte.

Die Erfindung wird an Hand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. In

Fig. I sind eine als Gleichrichtervollbrückenschaltung ausgebildete Eingangsschaltung eines Netzgerätes und die bei Gehäuseschluß wegen der fehlenden Netztrennung möglichen Fehlerströme dargestellt. Die

F i g. 2 zeigt eine als Spannungsverdopplerschaltung ausgebildete Eingangsschaltung eines Netzgeräts und die hier bei Gehäuseschluß möglichen Fehlerströme. In

F i g. 3 ist ein Ausführungsbeipsiel einer als stromempfindliche Fehlerstrom-Abschalteinrichtung dargestellt.

In den F i g. 1 und 2 sind die mit Un bezeichnete Eingangswechselspannung, zwsi Netzanschlußleitungen R, Mp, mit A, B bezeichnete Stellen eines Gehäuseschlusses und der in einem solchen Falle fließende Fehlerstrom />einheitlich bezeichnet. In den zugeordneten Spannungsdiagrammen der beiden Figuren sind jeweils unter a die Netzwechselspannung Un, unter b die entstehenden Fehlerströme Ifa und />eim Falle eines Gehäuseschlusses an einer Stelle A bzw. B, unter cdie bei Vertauschung der Leitungen R (Phase) und M_p (Nulleiter) gegenüber der in der Figur dargestellten

Anordnung und unter d die bei Unterbrechung des Nulleiters M entstehenden Fehlerströme dargestellt Die jeweils im Spannungsdiagramm d stark verzerrt dargestellten Halbwellen hängen in ihrer Größe von der Belastung R der eingangsseitigen Gleichrichterschaltung ab.

Unmittelbar am Geräteeingang ist ein mit drei Wicklungen N1, Λ/2, /v*3 bewickelter Ringkernübertrager W vorgesehen, der im Falle eines auftretenden Fehlerstromes ein Abschaltkriterium liefern soll. Die mit gleich großer Windungszahl bemessenen Wicklungen Λ/2 und A/3, die in je eine Zuleitung R bzw. M_p eingeschaltet sind, bilden wirkungsmäßig einen Summenstromwandler. Die dritte Wicklung Λ/1 des Ringkernes ist als Sättigungsdrosselwicklung ausgebildet, die eine Induktivität L darstellt und mit einem Kondensator C einen Reihenschwingkreis bildet Infolge der Eisensättigung weist der Schwingkreis ein nichtlineares Verhalten auf. Durch die Nichtlinearität bedingte Kipperscheinungen, die bei Änderung der Schwingkreisspannung oder der Vormagnetisierung zur sprunghaften Änderung des Schwingkrcisstrorncs führen, werden gemäß der Erfindung für die Gewinnung eines Abschaltkriteriums ausgenutzt. Um bei der Fehlerstromerfassung eine klare Abhängigkeit zu erhalten, wird die Schwingkreisspannung durch eine Zenerdiodenstabiiisierung mit zwei Zenerdioden ZD1 und ZD 2 konstant gehalten und die Änderung der Vormagnetisierung durch einen über die Wicklungen N2, Λ/3 fließenden Fehlerstrom ausgenutzt.

Die nahezu rechteckförmige, konstante Schwingkreisspannung wird über einen Vorwiderstand R 1 und die gegeneinander geschalteten Zenerdioden ZD1, ZD 2 aus der Netzspannung Un abgeleitet. An der Hilfswechselspannung liegt in Reihe mit dem LC-Reihenschwingkreis noch die Erregerwicklung eines monostabilen neutralen Relais A 1, mit dessen Hilfe die Änderungen des Schwingkreisstromes ausgewertet werden. Je nach der Dimensionierung des LC-Serienschwingkreises treten stark voneinander abweichende Effekte auf. bei einer geeigneten Bemessung der Kapazität des Kondensators entstehen stark ausgeprägte Kipperscheinungen, die eine sprunghafte Änderung des Stromes in der Sättigungsdrossel L bewirken. Zusätzlich ergibt sich eine von der Dimensionierung abhängige Hysterese, die auch nach Wegfall der Fehlerstromerregung die Kipperscheinungen aufrechterhalten kann. Dieser Effekt eignet sich in besonderem Maße für die Fehlerstromerfassung, da sich sehr hohe Empfindlichkeiten erreichen lassen und das sprunghafte Ansteigen des Schwingkreisstromes zur Ansteuerung des Relais A 1 gut geeignet ist. Bei schleichendem Fehlerstromanstieg wird außerdem ein stark störendes Relaisbrummen vermieden, das sich andernfalls durch eine stetige Relais-Erregerstromerhöhung einstellen würde.

Die eigentliche Abschalteinrichtung besteht im wesentlichen aus einem Kurzschlußthyristor Th, der in Reihe mit einem Schutzwiderstand R 3 die Leitungen R und Mp am Eingang einer Gleichrichterschaltung Cl verbindet Bei ansprechender Fehlerstrom-Auswerteschaltung wird der Kurzschlußthyristor über einen Kontakt a 1 des Relais A 1 aus einer Hilfsspannung Uh gezündet, wenn das Relais A 1 im Kippschwingungskreis LC anspricht Der gezündete Kurzschlußthyristor 77? löst einen zwischen der Fehlerstrom-Auswerteschaltung und der Gleichrichterschaltung Gl angeordneten zweipoligen Automatenschalter 5 aus und unterbricht damit die Zuführung der Netzeingangsspannung. Damit ein während der negativen Halbwelle der Netzwechselspannung erfolgender Zündbefehl für den Thyristor

nicht verlorengeht, ist im Steuerkreis des Kurzschlußthyristors ein Relais Ai vorgesehen, das in einer Seibslhaltesehaitung mittels eines dem R slaiskontakt a 1 parallelgeschalteten Relaiskontaktes a 2 den Zündbefehl speichert bis zum erneuten Anliegen einer

positiven Spannungshalbwelle.

Da Einschaltvorgänge an Eisenkerndrosseln bzw. an Kippschwingungskreisen je nach Remanenzlage und Einschaltzeitpunkt, Einschaltstromstöße verursachen können, deren Größe ein Vielfaches des eingeschwun-

^J0 genen Amplitudenwertes betragen, sind Vorkehrungen zweckmäßig, die bereits ein Auslösen der Abschaltvorrichtung beim Einschalten verhindern. Dazu wird der Fehlerstrom-Schutzschalter vor den Automatenschalter S direkt an den Geräteeingang verlegt. Wird das

^Ji Netzgerät vor der Schalterbetätigung, ζ. Β. über einen Steckdosenanschluß, an Spannung gelegt, so kann die eigentliche Auslöseeinrichtung nicht ansprechen. Zusätzlich kann eine Unterbindung von Kipperscheinungen im Schwingungskreis durch Begrenzung des

Hilfsstromes i» über den Widerstand R 1 zweckmäßig sein. Erst nach Betätigung des Automatenschalters S soll djrch einen über ein Relais A3 geschalteten Kontakt a 3 die für den Kippeffekt erforderliche Größe des Hilfsstromes erreicht werden können.

⁴' In der beschriebenen Schaltung übernimmt der Ringkernübertrager W mit den Stromwicklungen Λ/2, Λ/3 gleichzeitig die Funktion einer Zweileiterdrossel zur Funkentstörung.

Der Fehlerstrom-Schutzschalter ist für elektrische

^Λ Netzgeräte ohne Netztrennung, insbesondere Schaltnetzgeräte geeignet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fehlerstrom-Schutzschalter für elektrische Netzgeräte, der auf einem Magnetkern für jede Anschlußleitung des Netzgerätes eine Stromwicklung für gleiche magnetische Flußrichtung und eine als Sättigungs-Drosselwicklung ausgeführte dritte Wicklung trägt, welche Sättigungs-Drosselwicklung mit einem Kondensator in Reihe liegt und einen Schwingkreis bildet und im Schwingkreis Auswerte-1₀ Schaltmittel vorgesehen sind, die zu einer Abschaltung des Netzgerätes beim Ansprechen des Fehlerstrom-Schutzschalters führen, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselwicklung an eine konstante rechteckförmige Hilfswechselspannung | -. angeschlossen ist und daß die Auswerte-Schaltmittel (A 1) zur Erfassung sprunghafter Änderungen des Schwingkreisstromes ausgebildet sind.

2. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung in Verbindung mit einer Fehlerstromschutzschaltung ohne Hüfsspannung.