DE3013212C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Berühr- und Erdschlußschutzvor­ richtung mit einem ersten und einem zweiten Differential­ transformator, von denen jeder einen Ringmagnetkern, durch den die Null- und Phasenleiter eines Wechselstromnetzes laufen, und eine Sekundärwicklung besitzt, wobei die Sekun­ därwicklung des ersten Transformators mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden ist, auf den ein Gleichrichter, ein Schwellenkomparator und ein Steuerorgan folgt, das einen Un­ terbrecher betätigen kann, während die Sekundärwicklung des zweiten Transformators mit dem Ausgang des Verstärkers ver­ bunden ist.

Aus der DE-OS 25 26 649 ist eine Berühr- und Erdschluß­ schutzvorrichtung dieser Art bekannt.

Diese Vorrichtung weist zwei Transformatoren auf, die mit dem Nulleiter und wenigstens einem Netzleiter verkettet sind. Die Sekundärwicklung des ersten Transformators ist mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden. Der Ausgang des Ver­ stärkers ist mit einer bei Überschreiten eines bestimmten Be­ zugspotentials auslösenden Betätigungsschaltung verbunden, die mit einem Schutzschalter gekoppelt ist. Die Sekundärwick­ lung des zweiten Transformators ist mit dem Ausgang des Ver­ stärkers derart gekoppelt, daß durch die Sekundärwicklung ein Magnetfeld induzierbar ist und beim Auftreten eines Erd­ schlusses des Nulleiters auf der Lastseite eine durch beide Transformatoren verlaufende Primärwicklung mit einer einzi­ gen Windung hergestellt wird. Der Ausgang des Verstärkers ist mit dessen Eingang derart gekoppelt, daß der Verstärker beim Auftreten eines Erdschlusses des Nulleiters auf der Lastseite ein die Betätigungsschaltung auslösendes hochfre­ quentes Signal erzeugt.

Bei einem Erdschluß eines Phasenleiters fließt zwischen diesem Leiter und der Erde ein Fehlerstrom, der in dem ersten Transformator eine Spannung erzeugt, die dann ver­ stärkt wird und das Betätigungselement bei Überschreiten des eingestellten Bezugspotentials auslöst.

Derartige Schutzvorrichtungen können insbesondere in Badezim­ mern oder anderen Räumen installiert werden, in denen ein Schutz besonders notwendig ist.

Die bekannten Schutzvorrichtungen besitzen Nachteile, die sich daraus ergeben, daß die Rückkopplungsschleife rein passiv ist. Infolgedessen muß der Widerstand des Erdschlus­ ses sehr gering sein (maximal etwa 1 Ohm), damit Schwin­ gungen entstehen können und ein wirksamer Schutz erreicht wird. Wenn man ferner die Personenschutzschwelle ändert, was durch Änderung der Einstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers erreicht wird, wird gleichzeitig der Höchstwert des Widerstandes geändert, den der Erdschluß haben darf, damit ein wirksamer Schutz erreicht wird.

Ziel der Erfindung ist es, auch bei einem relativ hochohmi­ gen Erdschluß des Nulleiters auf der Lastseite einen siche­ ren Schutz gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zusätzlicher Verstärker zwischen den Ausgang des ersten Verstärkers und die Anschlüsse der Sekundärwicklung des zweiten Differentialtransformators eingesetzt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Ver­ stärker, wie aus der DE-OS 25 26 649 bekannt, mit einer Ver­ stärkungsfaktoreinstellung versehen, die die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber jeglicher Art von Fehlerströmen festlegt, während der zusätzliche Verstärker mit einer zwei­ ten Verstärkungsfaktoreinstellung versehen ist, wodurch die Vorrichtung so eingestellt werden kann, daß auch bei einem sehr hochohmigen Erdschluß des Nulleiters die Schwingungsbe­ dingung erreicht werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erste Verstärker in der Weise geschaltet, daß dessen Verstär­ kungsfaktor ab einer vorgebbaren Höhe seiner Eingangsspan­ nung mit weiterhin zunehmender Eingangsspannung abnimmt. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Verstärker beim Auftreten von großen Fehlerströmen nicht in Sättigung geht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Schaltung zwischen einem dem Verstärker nachgeschalteten Gleichrichter und der Betätigungsschaltung eine Schaltung mit einer Zeitkonstanten auf, um die Unempfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber atmosphärischen Entladungen und ande­ ren Störungen zu erhöhen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der auf die Zeichnung Bezug genommen wird, die eine bevor­ zugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzvor­ richtung zeigt.

Die Zeichnung zeigt die Sekundärwicklungen E ₁ und E ₂ von zwei Differentialtransformatoren, durch deren Ring­ kern (nicht dargestellt) die Leiter des Stromversor­ gungsnetzes laufen, von denen ein Phasenleiter P und der Nulleiter N dargestellt sind. Ein Ende der Wicklung E ₁ ist mit der Masse verbunden und das andere Ende ist mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers A ₁ und über einen Widerstand R ₄ mit der Masse verbunden. Der negative Eingang von A ₁ ist über einen Widerstand R ₁ mit der Masse und über eine Schaltung, mit der ein ver­ änderlicher Verstärkungsfaktor erreicht werden kann, mit dem Ausgang von A ₁ verbunden. Diese Schaltung be­ steht aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen R ₂ und R ₃ und aus zwei Paaren von Dioden D ₃-D ₄ und D ₁-D ₂, die parallel zu den Anschlüssen von R ₃ und einander entgegengesetzt geschaltet sind.

Der Ausgang von A ₁ ist über einen Kondensator C ₁ mit einer Gleichrichterschaltung verbunden, die aus einem Operationsverstärker A ₃, einer ersten Diode D ₅, die in umgekehrter Richtung mit einem mit dem negativen Ein­ gang von A ₃ verbundenen Widerstand erneut in Reihe ge­ schaltet ist, aus einer zweiten Diode D ₆, die in direk­ ter Richtung geschaltet ist und mit dem positiven Ein­ gang von A ₃ verbunden ist, und aus einem Widerstand R ₁₀ besteht, der den negativen Eingang von A ₃ mit seinem Ausgang verbindet. Der positive Eingang von A ₃ ist über einen Widerstand R ₁₆ mit der Masse verbunden.

Der Ausgang von A ₃ ist über eine Schaltung mit einer Zeitkonstanten, die aus einem Widerstand R ₁₃ und einem Kondensator C ₅ besteht, mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers A ₄ verbunden, der als Spannungs­ komparator geschaltet ist.

Der negative Eingang von A ₄ erhält eine Bezugsspannung, die von einer Widerstandsbrücke R ₁₁, R ₁₂ geliefert wird. R ₁₁ ist mit einer positiven Spannungsquelle und R ₁₂ ist mit der Masse verbunden. Der Ausgang von A ₄ polarisiert die Steuerelektrode eines Thyristors Th über eine Wi­ derstandsbrücke R ₁₄, R ₁₅. Der Widerstand R ₁₄ ist mit dem Ausgang von A ₄ verbunden, während R ₁₅ mit dem nega­ tiven Anschluß der Spannungsquelle verbunden ist und zu einem Kondensator C ₆ parallel geschaltet ist.

Der Ausgang von A ₁ erregt den positiven Eingang eines Operationsverstärkers A ₂ über eine Brücke, die aus zwei Kondensatoren C ₃ und C ₄ besteht, mit denen ein Widerstand R ₈ in Reihe geschaltet ist. Der gemeinsame Punkt von C ₃ und C ₄ ist mit dem Ausgang von A ₂ ver­ bunden, der seinerseits über einen Kondensator C ₂ mit einem Ende der Wicklung E ₂ verbunden ist. Das andere Ende von E ₂ ist mit der Masse verbunden. Der negative Eingang von A ₂ ist über einen Widerstand R ₇ mit der Masse und über einen Widerstand R ₅ mit dem Ausgang von A ₂ verbunden. Der gemeinsame Punkt von C ₂ und E ₂ ist über eine in direkter Richtung geschaltete Diode D ₇ mit dem positiven Eingang von A ₃ verbunden.

Diese Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Bei einem direkten Kontakt zwischen einer Person und einem der Leiter P hinter der Vorrichtung wird an den Anschlüssen von E ₁ eine Spannung erzeugt, die durch A ₁ verstärkt wird und durch die Gleichrichterschaltung, die den Ver­ stärker A ₃ enthält, gleichgerichtet wird. Wenn die Lade­ spannung des Kondensators C ₅ über den Widerstand R ₁₃ höher als die Schwelle des Komparators, der aus dem Verstärker A ₄ besteht, ist, liefert dieser ein Signal, durch das der Thyristor gezündet wird. Dieser steuert nun auf an sich bekannte Weise ein Unterbrecherorgan (nicht dargestellt).

Im Fall eines Erdschlusses des Nulleiters N hinter der Vorrichtung gerät die aus E ₁, A ₁, A ₂ und E ₂ bestehende Schleife in eine Schwingung mit einer relativ hohen Frequenz (beispielsweise 4 kHz). Die entstehende Span­ nung wird wie im vorhergehenden Fall gleichgerichtet und mit dem von der Schwelle des Komparators gebildeten Bezug verglichen, um schließlich das Unterbrecherorgan zu betätigen.

Eine bedeutende Besonderheit der beschriebenen und dargestellten Schaltung besteht in dem Vorhandensein des Verstärkers A ₂ in der Schleife. Der Verstärkungs­ faktor dieses Verstärkers hängt von den Widerständen R ₅ und R ₇ ab. Es genügt somit, daß diese veränderlich sind, um sie so einzustellen, daß ein In-Tritt-Kommen der Schwingung erreicht wird, selbst wenn der Strom in der Erdrückleitung infolge eines relativ hohen Wider­ stands des Erdschlusses (beispielsweise zehn bis mehre­ re zehn Ohm) sehr gering ist.

Eine andere Besonderheit der Schaltung besteht darin, daß die Bauelemente C ₃, C ₄, R ₈ und R ₆ so gewählt sind, daß nur die relativ hohen Frequenzen übertragen werden, und zwar mit Ausnahme von 50 Hz, da 50 Hz eine unge­ wünschte Auslösung verursachen würde, wenn es von A ₂ verstärkt und in die Gleichrichterschaltung zurückgeleitet würde.

Ein weiteres Merkmal der Schaltung besteht darin, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers A ₁ abnimmt, wenn seine Eingangsspannung zunimmt. Dies wird dadurch ver­ ursacht, daß die allmähliche Öffnung der Dioden D ₁, D ₂ und D ₃, D ₄ bewirkt, daß der Einfluß von R ₃ allmählich beseitigt wird, so daß der Verstärkungsfaktor ver­ ringert wird. Man kann auf diese Weise Maßnahmen er­ greifen, daß A ₁ innerhalb der Grenzen der Fehlerströme infolge eines direkten Kontakts, die beispielsweise bei einem Netz von 220 V von 5 mA bis 1 A gehen können, nicht die Sättigung erreicht.

Ein weiteres Merkmal der Schaltung besteht im Vorhanden­ sein einer Schaltung R ₁₃-C ₅ mit einer Zeitkonstanten, durch welche erreicht wird, daß die Zeit, die zwischen dem Auftreten des Fehlers und der Auslösung verstreicht, umso kürzer ist, je stärker der Fehlerstrom ist. Dies ist deshalb zweckmäßig, weil auf diese Weise die Un­ empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber athmosphä­ rischen Entladungen und andere Störungen geringer Ampli­ tude erhöht und gleichzeitig der Schutz von Personen verbessert wird.

Ferner sei darauf hingewiesen, daß die Gleichrichter­ schaltung, die in der Schaltung benutzt wird, beide Halbperioden gleichrichtet, so daß ein Fehler der be­ kannten Vorrichtungen, die mit einem Einweggleichrich­ ter versehen sind, nicht auftritt, und zwar die zusätz­ liche Zeit von bis zu 10 ms, die die Auslösung verzö­ gert, wenn der Fehler während der nicht gleichgerichteten Halbperiode auftritt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschrie­ bene Schaltung beschränkt, sondern läßt Änderungen zu.

Claims (6)

1. Berühr- und Erdschlußschutzvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Differentialtransformator, von denen jeder einen Ring­ magnetkern, durch den die Null- und Phasenleiter eines Wechselstromnetzes laufen, und eine Sekundär­ wicklung besitzt, wobei die Sekundärwicklung des ersten Transformators mit dem Eingang eines Verstär­ kers verbunden ist, auf den ein Gleichrichter, ein Schwellenkomparator und ein Steuerorgan folgt, das einen Unterbrecher betätigen kann, während die Sekundärwicklung des zweiten Transformators mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Verstärker (A 2), der zwischen den Ausgang des ersten Verstärkers (A 1) und die Anschlüsse der Sekundärwicklung (E 2) des zweiten Differentialtrans­ formators eingesetzt ist.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker (A 1) in an sich bekannter Weise mit einer ersten Verstärkungsfaktoreinstellung versehen ist, während der zusätzliche Verstärker (A 2) mit einer zweiten, getrennten Verstärkungsfaktoreinstellung verse­ hen ist.

3. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung des zusätzlichen Verstärkers (A 2) unter Zuhilfenahme eines selektiven Filters so ausgebildet ist, daß er für die Frequenz des Stromversorgungsnetzes unempfindlich ist.

4. Schutzvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor des ersten Verstärkers (A 1) in an sich bekannter Weise ab einer vorgebbaren Höhe seiner Eingangsspannung mit weiterhin zunehmender Eingangsspan­ nung abnimmt.

5. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrich­ ter (D 5, D 6) so ausgebildet ist, daß er beide Halbperioden des Wechselstroms gleichrichtet.

6. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine Schaltung mit einem Widerstand (R 13) und einer Kapazität (C 5), die zwischen dem Gleichrichter (D 5, D 6) und dem Schwellenkomparator angeordnet ist.