DE2819204A1

DE2819204A1 - Schaltungsanordnung fuer eine gleich- und/oder wechselstromsensitive mit verstaerker versehene fehlerstrom-schutzschaltung

Info

Publication number: DE2819204A1
Application number: DE19782819204
Authority: DE
Inventors: Hartmut Arendt
Original assignee: Felten and Guilleaume Carlswerk AG
Current assignee: Felten and Guilleaume Energietechnik AG
Priority date: 1978-05-02
Filing date: 1978-05-02
Publication date: 1979-11-08
Also published as: DE2819204C2

Description

Schaltungsanordnung für eine gleich- und/oder wechselstromsensitive
mit Verstärker versehene Fehlerstrom-Schutzschaltung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine gleich-und/oder wechseletromsensitive Fehlerstrom-Schutzschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In zunehmendem Maße werden in Industrie und Haushalt elektronisch gesteuerte Elektrogeräte eingesetzt. Dies führt dazu, daß ein bei diesen Geräten auftretender Fehlerstlom kein reiner Wechselstrom mehr ist, sondern ein mit Gleichstroanteilen versehener Wechselstrom. Die herkömmlichen Fehlerstrom-Schutzschalter, die als Meßglied zur Erfassung der Summe der in eine Anlage ein- und ausfließenden Ströme einen Summenstromwmdler besitzen, können derartige Fehlerströme nicht mehr zuverlässig erfassen. Je nach der Größe des Gleichstromanteils am Fehlerstrom wird das Meßergebnis mehr oder weniger empfindlich gestört und der Ansprechwert des Fehlerstrom-Schutzschalters nach höheren Werten hin verschoben.
Es war daher unumgänglich, Fehlerstrom-Schutzschalter mit Einrichtungen auszustatten, die es ermöglichen, nicht nur auf meinen Wechselstrom-Fehlerstrom anzusprechen, sondern auch auf Mischstrom-Fehlerstrom, d.h. mit beliebigen Gleichstromkomponenten Uberlagerten Wechselstrom-Fehlerstrom.
Ein Fehlerstrom-Schutzschalter, der diesen Anforderungen entspricht und sogar bei reinem Gleichstrom-Fehlerstrom funktioniert,-ist bereits bekannt (US-PS 3 621 334). Als Meßglied dient hierbei ein offener Magnetkreis, in dessen Luftspalt ein Hall-Generator eingesetzt ist. Die Ausgangsspannung dieses Hall-Generators ist für die Erfassung sehr kleiner Pehlerströme jedoch zu gering, so daß es erforderlich ist, diese geringe Spannung durch einen Operationsverstärker soweit zu verstärken, daß die abgegebene Leistung zur Steuerung des Auslöseglieds ausreicht. Der Operationsverstärker wird mit einer Speisespamnung versorgt, deren Eingangsenergie einem Netzteil entnommen wird.
Nun ist es sinnvoll, diesen Operatioi:sverstärker als Komparator z X eschalten, denn erst ab einem bestimmten Grenzwert des zu erfassenden Differenzstromes soll die 'iignalspannung iie durch die Referenzspannung vorgegebene Ansprechschwelle überschreiten.
Darüber hinaus hat das Meßglied in der Funktion einer Fehlerstrom-Schutzschaltung unabdingbar auch den Sonderfall zu erfüllen, der sich ergibt, wenn bei ausgefallenem Netz ein Fehlerfall eintritt und mit der wiederkehrenden Netzspannung dann gleichzeitig ein Fehlerstrom zu fließen beginnt. Der }ehlerstrom-Schutzschalter muß innerhalb der vorgeschriebenen Zeitspanne abschalten, selbst wenn der kritische Fehlerstrom bereits bei einem Bruchteil des Nennwertes der Netzspannung fließt. Der Fehlerstrom-Schutzschalter darf andererseits aber nicht abschalten, wenn bei wiederkehrender Netzspannung kein Fehlerstrom fließt. Für den Operationsverstärker ist diese Forderung nicht unproblematisch, denn es gilt, sowohl für Spannungsprünge am Eingang als auch für langsam anschwellende Spannungswerte eindeutige Ansteuerungsverhältnisse zwschaffen. Um den Operationsverstärker hierfür zweckmäßig nutzen zu können, ist ansteuerungsmäßig eine Spezialanpassung notwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrlmde, den Operationsverstärker der Fehlerstrom-Schutzschaltung der eingangs geschilderten Art mit einem Netzwerk zu versehen, das bei Einschaltvorgängen ein auf die ansteigende Speisespannung dieses Verstärkers bezogenes zeitlich definiertes Voreilen der Schwellenspannung (Referenzspannung) gewährleistet, wobei die Speisespannung fremdspannungsunabhängig sein soll. Da die zusätzlichen Bauelemente zur Erzeugung der Speisespannung und der Verzögerungsschaltung für die Speisespannung gegenüber der Eingangs-Differenzspannung in einem Gehäuse für Fehlerstrom-Schutzschalter unterzubringen sind, soll der Aufwand an Bauelementen gering sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß lurch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß die Fehlerstrom-Schutzschaltung aufgrund definierter Anfangsbedingungen für den Arbeitspunkt des Operatic'nsverstärkers auch den Gegebenheiten bei kritischen Sonderfäller angepaßt ist, um den Sicherheitsanforderungen voll und ganz zu entsprechen. Die mit Hilfe eines einstellbaren Widerstandes eingestellte Eingangs-Differenzspannung, die als negative VorspaJnur;g den Schwellenwert für die wachPt positive Signalspannung darstellt,/urmittelbar mit der Anstiegsgeschwindigkeit der Speisespannung, währen4 die Speisespannung für den Operationsverstärker über einen separaten dynamischen Spannungsteiler verzögert zur Wirkung kommt. I-ie Spannungsversorgung des Meßsystems mit Hilfe eines nichtlinecrren iderstandsgliedes erfolgt ohne Fremdspannung, wenngleich die Hche es Verbraucher-Nennstromes durch die maximal zulässige Verlustleistung des nichtlinearen Widerstandsgliedes begrenzt ist. Jedoch ist die Spannungsversorgung auch dann noch gewährleistet, wenn ein oder mehrere Phasenleiter im Netz unterbrochen sind und Schluß mit dem Nulleiter haben. Ein in diesem Fall möglicher Fehlerstrom würde über das nichtlineare Widerstandsglied fließen und somit eine Spannung für das Meßsystem erzeugen.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung für eine gleich- und /oder wechselstromsensitive Fehlerstrom-Schutzschaltung.
Nach der Figur, in der zur Vereinfachung nur ein Phasenleiter dargestellt ist, ist das Meßglied zur Erfassung der Summe der in eine Anlage ein- und aus fließenden Ströme ein offener Magnetkreis 1, in dessen Luftspalt sich ein magnetisch steuerbares Bauelement 2 befindet. Der zu überwachende Leiter ist in Form einer Spule um einen Schenkel des Magnetkreises gewickelt. (Bei mehreren Leitern ist entsprechend zu verfahren.) Dies gil;- ebenso für den Nulleiter bei Wechselstrom bzw. für den Minusleiter zwei Gleichstrom. Der Spule des zu überwachenden Leiters ist ein Diodenglied 3 nachgeschaltet, das wenigstens aus zwei antiparallel geschalteten Dioden besteht. An diesem gegensinnig geschalteten Diodenpaur, das gegebenenfalls jeweils mit entsprechend gepolten Einzeldioden erweitert werden kann, fällt eine Spannung ab, die zur Erzeugung des Steuerstromes für das magnetisch steuerbare Bauelement herangezogen wird und gleichzeitig der Versorgung des Operationsverstärkers mit einer Speisespannung dient. In dcn Fällen, wo der Leiterstrom kein reiner Gleichstrom ist, ist eine Gleichrichtung erforderlich, für die eine Gleichrichterbrückenschaltung 4 vorgesehen ist. Der Gleichrichterbrückenschaltung 4 ist ein Ladekondensator 5 nachgeschaltet.
Das zur Arbeitspunkteinstellung des Operationsverstärkers 15 vorgesehene Netzwerk besteht im Prinzip aus zwei separaten Spannungsteilern 6 bis 9 und 10 bis 14. Der erste Spannungsteiler enthält ein Integrationsglied mit einem Widerstand 6 und einem Kondensator 7 sowie ein Dioden-Widerstandsglied 8 und 9. Hierbei liegt die Reihenschaltung aus dem Widerstands 6 und dem Kondensator 7 parallel zum Ladekondensator 5, während die Diode 8 in Durchlaßrichtung mit der Anode am Verbindungspunkt des Widerstandes 6 und des Kondensators 7 angeschaltet ist. Die Katode der Diode 8 ist einerseits mit dem positiven Speisespannungsanschluß und andererseits über den Widerstand 9 mit dem negativen Speisespannungsanschluß des Operationsverstärkers 15 verbunden. Der erste Spannungsteiler 6 bis 9 bewirkt im Einschaltaugenblick eine gegenüber dem Steuersignal am Eingang des Operationsverstärkers zeitlich verzögert auftretende Speisespannung am Operationsverstärker, und zwar sowohl für schlagartiges als auch für allmähliches Ansteigen er Speisegleichspannung.
Der zweite Spannungsteiler wird nur aus Ohm'schen Widerständen 10 bis 14 gebildet. Hierbei sind die zwei Widerstände 11 und 12 mit einem einstellbaren Widerstand 14 zu einer Brückenschaltung gefügt. Der Diagonalzweig dieser Brückenschaltung enthält die Reihenschaltung aus dem Spannungs pfad des magnetisch steuerbaren Bauelements 2 und dem Eingang des Operationsverstarkers 15. Dieser zweite Spannungsteiler bedingt eine Uberlagerung der Steuerspannung, die im magnetisch steuerbaren Bauelement 2 entsteht, mit dem Schwellenwert, der durch den einstellbaren Widerstand 14 bestimmt wird. Somit erfüllt der Operationsverstärker 15 die Funktion eines Komparators, der nach Uberschreiten der Ansprechschwelle durch die Signalspannung sein Ausgangspotential umschaltet. Die Widerstände 10 und 13 an den Verbindungspunkten er Widerstände 11 und 14 bzw.
12 und 14 sind Vorwiderstände. An den Ausgang des Operationsverstärkers ist das Auslöseglied 16 geschaltet.

Claims

Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung für eine gleich- und/oder wechselstromsensitive Fehlerstrom-Schutzschaltung, mit einem Magnetkreis und einem magnetisch steuerbaren Bauelement als Meßglied zur Erfassung der Summe der ein- und ausfließenden Ströme in einer dem Meßglied nachgeschalteten Anlage, mit einem Operationsverstärker, der die Ausgangsspannung des magnetisch steuerbaren Bauelements zur Steuerung eines Auslösegliedes verstärkt, wobei der invertierende Eingang des Operationsverstärkers direkt mit dem einen Ausgangsanschluß des magnetisch steuerbaren Bauelements verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers (15) an den Abgriff eines parallel zu einem ersten Spannungsteiler liegenden einstellbaren Widerstandes (14) geschaltet ist, daß der Mittelspurlkt dieses Spannungsteilers mit dem anderen Ausgangs anschluß des magnetisch steuerbaren Bauelements (2) verbunden ist, und daß die Speisespannung für den Operationsverstärker durch Abfall an einem nichtlinearen Widerstandsglied (Dioden) (3) erzeugt wird und über eine Gleichrichterbrückenschaltung (4) und einen zweiten Spannungsteiler an die Speisespannungsanschlüsse des Operationsverstärkers (15) geführt ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der erste Spannungsteiler aus einer Ohm'schen Brückenschaltung besteht, deren einer Zweig zwei Widerstärde (11, 12) und deren anderer Zweig den einstellbaren Widerstand (14) enthält, wobei der Diagonalspannungspfad der Brüc ; haltung in Reihe mit dem Spannungspfad des Meßglieds am Eingang des Operationsverstärkers (15) liegt.
3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen i und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Verbindungspunkt der Widerstände (1l, 14) über einen Widerstand (10) an den Pluspol der Gleichrichterbrückenschaltung (4) und gleichzeitig an das Auslöseglied (16) geschaltet ist, und daß der Verbindungspunkt der Widerstände (12, 14) über einen Widerstand (13) mit dem negativen Speisespannungsanschluß des Operationsverstärkers (15) verbunden ist, der gleichzeitig an der Minusleitung des Systems liegt.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der zweite Spannungsteiler aus einem Integrationsglied mit einem Widerstand (6) und einem Kondensator (7) besteht, das parallel zu einem Ladekondensator (5) geschaltet ist, und daß der Verbindungspunkt des Widerstandes (6) mit dem Kondensator (7) an den Anodenanschluß einer Diode (8) geführt ist, deren negativer Pol einerseits mit dem positiven Speisespannungsanschluß des Operationsverstärkers (15) und andererseits über einen Widerstand (9) mit dem negativen Speisespannungsanschluß des Operationsverstärkers (15) verbunden ist, der an der Minusleitung des Systems liegt.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das nichtlineare Widerstandsglied (3) aus wenigstens zwei antiparallel geschalteten Dioden besteht, die jeweils in den zu Uberwachenden Leiter eingeschleift sind und zu den Eingangsanschlüssen sowohl der Gleichrichterbrückenschaltung (4) als auch der magnetisch steuerbaren Bauelements (2) parallel geschaltet sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die durch die Gleichrichterbrückenschaltung (4) gleichgerichtete Spannung über den Ladekondensator (5) dem Spannungsteiler zugeführt wird, der den Speisespannungsanschlüssen des Operationsverstärkers (15) vorgeschaltet ist.