DE2851381A1 - Fault current protection circuit for direct and / or alternating current - Google Patents

Fault current protection circuit for direct and / or alternating current

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DE2851381A1 DE19782851381 DE2851381A DE2851381A1 DE 2851381 A1 DE2851381 A1 DE 2851381A1 DE 19782851381 DE19782851381 DE 19782851381 DE 2851381 A DE2851381 A DE 2851381A DE 2851381 A1 DE2851381 A1 DE 2851381A1
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Description

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Feiten & Guilleaume Carlswerk AG Köln, den 23.11.78Feiten & Guilleaume Carlswerk AG Cologne, 11/23/78

Schanzenstraße Ko/WzSchanzenstrasse Ko / Wz

5000 Köln 805000 Cologne 80

Fehlerstrom-Schutzschaltung für Gleich- und/oder WechselstromResidual current protection circuit for direct and / or alternating current

Beschreibung:Description:

Die Erfindung betrifft eine Fehlerstrom-Schutzschaltung für Gleich- und/oder Wechselstrom gemäß dem Oberbegriff des AnspruchsThe invention relates to a residual current protection circuit for Direct and / or alternating current according to the preamble of the claim

Fehlerstrom-Schutzschaltungen erlangen in jüngerer Zeit eine immer größer werdende Bedeutung durch die steigende Verwendung von elektrischen Geräten im Haushalt und in der Industrie. Durch den Einsatz von elektronischen Bauelementen in diesen elektrischen Geräten kann es jedoch zu störenden Auswirkungen in den Niederspannungsnetzen kommen. Die Störungen machen sich einmal durch die Erzeugung von Oberwellen und zum anderen durch SpannungsSchwankungen bemerkbar. Solange der Stromfluß durch ein elektrisches Gerät mit elektronischen Bauelementen einen symmetrischen Verlauf hat, d.h. die Flächeninhalte im positiven und negativen Strombereich gleich sind, kommt es zu keinen störenden Auswirkungen. Erst bei einem unsymmetrischen Verlauf des Stromflusses, nämlich dem Auftreten einer Gleichstromkomponente kann das Auslöseverhalten einer Fehlerstrom-Schutzschaltung nachteilig beeinflußt werden.In recent times, residual current protective circuits are becoming more and more popular increasing importance due to the increasing use of electrical Devices in the household and in industry. Through the use of electronic components in these electrical devices however, there may be disruptive effects in the low-voltage networks. The disturbances make their way through the Generation of harmonics and on the other hand through voltage fluctuations noticeable. As long as the current flow through an electrical device with electronic components is symmetrical i.e. the area in the positive and negative current range is the same, there are no disruptive effects. The tripping behavior can only occur when the current flow is asymmetrical, namely when a direct current component occurs a fault current protection circuit are adversely affected.

So ist bereits ein Fehlerstrom-Schutzschalter bekannt, dessen Summenstromwandler eine Vormagnetisierungswicklung besitzt, die mit einem Wechselstrom einer Frequenz beaufschlagt wird, die von der Netzfrequenz verschieden ist (DE-OS 25 55 303). Die an der Vormagnetisierungswicklung auftretende Spannung stellt ein Maß für die Induktivität dar, mit deren Hilfe das Vorhandensein einer Magnetisierung durch einen Gleichstrom-Fehlerstrom festgestellt wird. Sobald jedoch ein Wechselstrom-Fehlerstrom auftritt, bestehtSo a residual current circuit breaker is already known whose summation current transformer has a bias winding that is applied with an alternating current of a frequency that of the network frequency is different (DE-OS 25 55 303). The voltage appearing on the bias winding provides a measure for the inductance, with the help of which the presence of magnetization by a direct current fault current is determined will. However, as soon as an AC fault current occurs, there is

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die Spannung an der Vormagnetisierungswicklung aus einer Überlagerung von zwei Teilspannungen. Die erste Teilspannung ist die vom Wechselstrom hervorgerufene Induktionsspannung, welche ein Maß für die Induktivität der Vormagnetisierungswicklung darstellt. Die zweite Teilspannung ist dagegen die vom Wechselstrom-Fehlerstrom induzierte Spannung, die vor allem von der Änderungsgeschwindigkeit des Wechselstrom-Fehlerstromes abhängt. Es kann nun vorkommen, daß die Induktivität zu zwei verschiedenen Zeiten den gleichen Wert hat, während die vom Wechselstrom-Fehlerstrom induzierte Spannung zu diesen Zeitpunkten zwei ganz verschiedene Werte hat und daher kein Maß für die Induktivität der Vormagnetisierungswicklung darstellt. Aufgrund dieser Gegebenheiten kann es zu Störungen im Absehaltverhalten des Fehlerstrom-Schutzschalters kommen.the voltage at the bias winding from a superposition of two partial voltages. The first partial voltage is the induction voltage caused by the alternating current, which is a measure represents the inductance of the bias winding. The second partial voltage, on the other hand, is that of the alternating current fault current induced voltage, which mainly depends on the rate of change of the alternating current fault current. It can Now it can happen that the inductance has the same value at two different times, while that of the alternating current fault current induced voltage has two completely different values at these times and therefore no measure of the inductance of the bias winding represents. Due to these conditions, there may be malfunctions in the shutdown behavior of the residual current circuit breaker come.

Zur Behebung dieses Nachteils ist vorgeschlagen worden, einen Fehlerstrom-Schutzschalter mit einem zweiten Summenstromwandler mit einer entsprechenden Vormagnetisierungswicklung auszustatten (DE-OS 25 55 255). Beide Vormagnetisierungswicklungen sind in Serie geschaltet, so daß sich die im ersten Wandlerkern erzeugte Spannung zu der Spannung des zweiten Wandlerkerns addiert. Die betriebsstromführenden Leiter werden im ersten Wandlerkern in anderer Richtung durchgeführt als im zweiten Kern. Indolgedessen heben sich die in den zwei Wandlerkernen vom Fehlerstrom induzierten Spannungen gegenseitig mehr oder weniger vollständig auf. Allerdings ist hierzu ein zweiter Summenstromwandler erforderlich.To remedy this disadvantage, it has been proposed to use a residual current circuit breaker with a second summation current transformer to equip with a corresponding bias winding (DE-OS 25 55 255). Both bias windings are in Connected in series, so that the voltage generated in the first converter core is added to the voltage of the second converter core. The operating current-carrying Conductors are carried out in the first transducer core in a different direction than in the second core. Indolged raise the voltages induced by the fault current in the two converter cores are mutually more or less completely absorbed. However a second summation current transformer is required for this.

Zur Unterdrückung der störenden Wirkung der Spannung, die vom Wechselstrom-Fehlerstrom hervorgerufen wird, kann man auch das Produkt aus Amplitude und Frequenz des Wechselstromes groß machen, indem man sowohl die Amplitude als auch die Frequenz dieses Wechselstromes groß wählt. Dadurch wird die Haftung des Auslöseankers weniger sicher und die Empfindlichkeit gegen Erschütterungen erhöht. Auch ergibt sich eine stärkere Erwärmung des Wandlerkerns durch Wirbelströme und Hysteresis.This can also be used to suppress the disturbing effect of the voltage caused by the alternating current leakage current Make the product of the amplitude and frequency of the alternating current large by taking both the amplitude and the frequency of this alternating current big chooses. This makes the adhesion of the trip anchor less secure and increases the sensitivity to vibrations. There is also greater heating of the converter core due to eddy currents and hysteresis.

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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Fehlerstrom-Schutzschaltung zu schaffen, die eine Unterdrückung der von der Änderung des Wechselstrom-Pehlerstromes hervorgerufene Spannung von 50 Hz unter Verwendung eines einzigen Summenstromwandlers und bei relativ kleiner Amplitude sowie relativ kleiner Frequenz des zur Prüfung der Induktivität der Vormagnetisierungswicklung vorgesehenen Wechselstromes erreicht.The invention is therefore based on the object of a residual current protective circuit to create a suppression of the voltage caused by the change in the alternating current fault current of 50 Hz using a single summation current transformer and with a relatively small amplitude and a relatively low frequency of the alternating current provided for testing the inductance of the premagnetization winding.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen schaltungstechnischen Maßnahmen gelöst. Dabei ist das Filterglied besonders wichtig.According to the invention, this object is achieved by the in the characterizing part of the Claim 1 specified circuitry measures solved. The filter element is particularly important here.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß unter Einschaltung eines einzigen Filtergliedes die vom Wechselstrom-Fehlerstrom induzierte Spannung in ausreichendem Maße unterdrückt wird, so daß einzig und allein die vom Wechselstrom induzierte Spannung ein Maß für die Induktivität der Vormagnetisierungswicklung sowohl im Fall eines Gleichstrom-Fehlerstromes als auch Wechselstrom-Fehlerstromes verantwortlich ist.The advantages achieved by the invention are that under Switching on a single filter element suppresses the voltage induced by the alternating current fault current to a sufficient extent so that only the voltage induced by the alternating current is a measure of the inductance of the bias winding is responsible both in the case of a direct current fault current and an alternating current fault current.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Anspruchs 1 sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Hierbei betreffen die Ansprüche 2 und 3 den Einsatz von Operationsverstärkern in den Schaltgliedern, die Ansprüche 4 und 5 die Ausbildung des Filtergliedes und die Ansprüche 6 und 7 die Ausbildung der Stromquelle.Advantageous embodiments of the subject matter of claim 1 can be found in the subclaims. Here concern the claims 2 and 3 the use of operational amplifiers in the switching elements, claims 4 and 5 the design of the filter element and claims 6 and 7 the design of the power source.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt die Figur eine Fehlerstrom-Schutzschaltung in Form eines Blockschaltbildes.An exemplary embodiment is shown in the drawing and is described in more detail below. The figure shows a residual current protective circuit in the form of a block diagram.

Nach der Figur ist in der Fehlerstrom-Schutzschaltung eine Stromquelle 1 mit hohem Innenwiderstand enthalten, die einen konstanten Wechselstrom von einigen mA effektiv und einer Frequenz von etwa 1000 Hz über eine Meßspule 2 leitet, die als Hilfswicklung auf einem Summenstromwandler 3 aufgebracht ist. Die an der Meß-According to the figure, there is a power source in the residual current protective circuit 1 with high internal resistance, which contain a constant alternating current of a few mA rms and a frequency of conducts about 1000 Hz via a measuring coil 2, which acts as an auxiliary winding is applied to a summation current transformer 3. The at the measuring

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spule 2 abgegriffene Spannung wird einem Filterglied 4 zugeführt, das auf eine Frequenz von z.B. 1000 Hz abgestimmt ist. Das bedeutet, daß eine am Eingang des Filtergliedes auftretende Wechselspannung von 50 Hz sich im Vergleich zur Spannung von 1000 Hz nicht mehr auf die nachfolgende Schaltung auswirken kann. Die Meßspule 2 kann sowohl eine besondere Spule, durch welche der Wechselstrom der Stromquelle 1 fließt, als auch identisch mit der Sekundärspule sein, welche beim normalen Fehlerstrom-Schutzschalter direkt mit der Spule des Auslösers verbunden ist. Am Ende des Filtergliedes 4 wirkt sich somit nur die Spannung aus, die aufgrund des eingeprägten Stromes der Stromquelle gegeben ist. Anschließend wird diese Spannung einem Gleichrichterglied 5 zugeführt und gleichgerichtet. An das Gleichrichterglied kann u.U. ein Tiefpaß 6 eingesetzt werden, der die gleichgerichtete Spannung glättet. Anschließend findet eine Verstärkung in einem Differenzverstärker 7 statt. Hierbei wird die Eingangsspannung mit einer Referenzspannung verglichen, wobei bei einem Absinken der Eingangsspannung unter die Referenzspannung ein steuerbares Halbleiterglied 8 angesteuert wird, das die Abschaltung des Schalters bewirkt. Das steuerbare Halbleiterglied liegt parallel zum Taster 9 eines Prüfkreises 10. Eine Sekundärwicklung 11 ist direkt mit dem Auslöser 12 verbunden, der über ein Schaltschloß 13 die Kontakte 14 betätigt.coil 2 tapped voltage is fed to a filter element 4, which is tuned to a frequency of e.g. 1000 Hz. That means, that an alternating voltage of 50 Hz occurring at the input of the filter element is in comparison to the voltage of 1000 Hz can no longer affect the subsequent circuit. The measuring coil 2 can be a special coil through which the Alternating current of the power source 1 flows, as well as being identical to the secondary coil, which in the normal residual current circuit breaker connected directly to the coil of the trigger. At the end of the filter element 4, only the voltage has an effect which is given due to the impressed current of the power source. This voltage is then fed to a rectifier element 5 and rectified. If necessary, a low-pass filter 6 can be used on the rectifier element to generate the rectified voltage smooths. Amplification then takes place in a differential amplifier 7. The input voltage is herewith a Reference voltage compared, with a decrease in the input voltage a controllable semiconductor element below the reference voltage 8 is activated, which causes the switch to switch off. The controllable semiconductor element is parallel to the Button 9 of a test circuit 10. A secondary winding 11 is directly connected to the trigger 12, which actuates the contacts 14 via a switch lock 13.

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Claims (7)

Fl 4486 23.11.78Fl 4486 11/23/78 Patentansprüche:Patent claims: / 1./Fehlerstrom-Schutzschaltung mit folgenden Merkmalen/ 1./ Residual current protective circuit with the following features a) mit einem Summenstromwandler,a) with a summation current transformer, al) dessen Primärwicklung aus den Hauptleitern eines Wechseloder Drehstromnetzes besteht,
•a2) dessen Sekundärwicklung mit einem Auslöser verbunden ist,al) whose primary winding consists of the main conductors of an alternating or three-phase network,
• a2) whose secondary winding is connected to a release, b) mit einer Stromquelle zur Erzeugung einer Wechselstrom-Vormagnetisierung des Summenstromwandlers über eine Hilfswicklung, b) with a power source for generating an alternating current bias of the summation current transformer via an auxiliary winding, b1) der von der Stromquelle erzeugte Strom eine von der Fetzfrequenz abweichende Frequenz aufweist,b1) the current generated by the power source is one of the shrinking frequency has a different frequency, c) mit einem Prüfkreis,c) with a test circuit, c1) der über einen Taster einen Prüfstrom aus der Netzspannungc1) the test current from the mains voltage via a button ableitet,
dadurch gekennzeichnet, daßderives,
characterized in that d) die Hilfswicklung des Summenstromwandlers (3) als Meßspule (2) ausgebildet ist,d) the auxiliary winding of the summation current transformer (3) as a measuring coil (2) is designed, e) die Meßspule (2) gemeinsam mit der Stromquelle (1) am -Eingang eines Filtergliedes (4) liegt,e) the measuring coil (2) together with the power source (1) on the -Input of a filter element (4) is located, f) dem Filterglied (4) ein Gleichrichterglied (5) nachgeschaltet ist,f) the filter element (4) is followed by a rectifier element (5), g) das Gleichrichterglied (5) über einen Differenzverstärker (7) mit einem steuerbaren Halbleiterglied (8) verbunden ist,g) the rectifier element (5) is connected to a controllable semiconductor element (8) via a differential amplifier (7), h) das steuerbare Halbleiterglied (8) parallel zum Taster (9) des Prüfkreises (10) geschaltet ist.h) the controllable semiconductor element (8) is connected in parallel to the button (9) of the test circuit (10). 909832/0507909832/0507 Fl 4486 - 2 - 23.11.78Fl 4486 - 2 - 11/23/78 2. Fehlers tr om-Schutzschaltung nach. Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (1), das Filterglied (4), das Gleichrichterglied (5) und der Differenzverstärker (7) jeweils einen Operationsverstärker gleichen Typs enthalten, die in einem gemeinsamen Bauelement zusammengefaßt sind.2. Fault tr om protection circuit after. Claim 1, characterized characterized in that the current source (1), the filter element (4), the rectifier element (5) and the differential amplifier (7) each contain an operational amplifier of the same type, which are combined in a common component are. 3. Fehlerstrom-Schutzschaltung nach Anspruch 2, d ad u r c h gekennze ichnet, daß zwischen dem Gleichrichterglied (5) und dem Differenzverstärker (7) ein aus einem RC-Glied bestehender Tiefpaß (6) eingeschleift ist, dem ein Operationsverstärker zugeordnet ist.3. Residual current protection circuit according to claim 2, d ad u r c h gekennze ichnet that between the rectifier element (5) and the differential amplifier (7) one from one RC element existing low-pass filter (6) is looped into the one Operational amplifier is assigned. 4. Fehlerstrom-Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Filterglied (4) als Bandpaß ausgebildet ist und im wesentlichen aus einem RC-Glied besteht, das zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des zugehörigen Operationsverstärkers geschaltet ist.4. Residual current protective circuit according to one of claims 1 to 3> characterized in that the filter element (4) is designed as a bandpass filter and essentially consists of an RC element exists between the inverting input and the output of the associated operational amplifier is switched. 5. Fehlerstrom-Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Filterglied (4) aus einer Serienschaltung von mehreren Hochpässen besteht.5. Residual current protective circuit according to one of claims 1 to 3 »characterized in that the filter element (4) consists of a series connection of several high passes. 6. Fehlerstrom-Schutzschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (1) als Frequenzgenerator ausgebildet ist, der einen konstanten Strom mit einer Frequenz erzeugt, die von der Netzfrequenz verschieden ist.6. residual current protective circuit according to claim 4 or 5, characterized in that the current source (1) is designed as a frequency generator that generates a constant current at a frequency that depends on the mains frequency is different. 7. Fehlerstrom-Schutzschaltung nach Anspruch 4 oder 5,7. Fault current protection circuit according to claim 4 or 5, dad urch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (1) als Frequenzgenerator ausgebildet ist, der eine konstante Spannung mit einer Frequenz erzeugt, die von der Fetzfrequenz verschieden ist.characterized in that the current source (1) is designed as a frequency generator, the one constant voltage generated with a frequency that is different from the shredding frequency. 909832/0507909832/0507
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