DE3129277C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die für die Konstruktion von Fehlerstromschutzschaltern mög­ lichen drei Grundschaltungen wurden schon vor zwanzig Jahren angegeben (Biegelmeier, G.: Moderner Fehlerstromschutz. E. u. M., 75. Jg. (1958) H. 8, S. 157 bis 164; Kemmer, A.: Die Ansprech­ empfindlichkeit beim Fehlerstromschutzschalter. ETZ-B, 13. Jg. (1961), H. 26, S. 689 bis 691). Die damals empfohlenen FI-Schutzschal­ ter mit Impuls- oder Energiespeicherauslösung, eine richtungs­ weisende Erfindung (AT-PS 1 97 468), wurden in großen Stückzah­ len in Österreich eingebaut und haben sich als zuverlässig er­ wiesen. Sie wurden auch im Ausland patentiert und angewendet (FR-PS 12 02 203, GB-PS 8 41 181). Als Schaltorgan in der Ener­ giespeicherschaltung wurde seinerzeit eine Glimmlampe verwendet, wodurch diese Lösung kostspielig war (hohe Sekundärwindungszahl beim Summenstromwandler) und zuviel Raum in Anspruch nahm. Ob­ wohl die Schalter in bezug auf Zuverlässigkeit und Kennlinien­ verlauf Vorteile hatten, weil die Auslöseenergie wesentlich höher war als bei den direkten Schaltungen ohne elektrische Energie­ speicherschaltung, führte der Wettbewerb mit dem Trend zu immer kleineren Preisen und Abmessungen der Fehlerstromschutzschalter dazu, daß die Impulsauslösung nurmehr für Spezialschalter ange­ wendet wurde (zum Beispiel Nullungsschutzschalter). Hierbei wurden damals auch sachlich nicht gerechtfertigte Argumente eingesetzt, wie zum Beispiel die Forderung nach extrem kurzen Abschaltzeiten, die naturgemäß bei Speicherschaltungen zu Schwie­ rigkeiten führt. Heute weiß man auf Grund der Ergebnisse der modernen Elektropathologie, daß für den Schutz gegen direktes und beim indirekten Berühren die Abschaltzeit der Schutzschalter, solange sie kleiner ist als 0,2 s, keine besondere Bedeutung hat. Zu kurze Abschaltzeiten und unnötig hohe Auslöseempfind­ lichkeiten führen nur zu Fehlauslösungen durch an sich zulässige Ableitströme oder beim Schalten von Kabeln und beim Auftreten atmosphärischer Überspannungen. Besonders bei Freilei­ tungsnetzen sind dadurch wirtschaftliche Schäden ent­ standen (Tiefkühltruhen).

Wesentlich wichtiger ist die Funktionssicherheit der Schutzschalter, und hier hat die geschilderte Entwick­ lung zu ungünstigen Ergebnissen geführt. Es wurden immer empfindlichere Auslöser entwickelt, bei denen Ferti­ gungsprobleme und Umwelteinflüsse kaum mehr beherrscht werden können. Heute zeigt sich bei der Überprüfung ent­ sprechender Anlagen, daß einige Prozent der eingebauten Fehlerstromschutzschalter nicht funktionsfähig sind.

Eine Lösung dieses ernsten Problems bringt einerseits die Einführung der Nullung, die zusammen mit Fehler­ stromschutzschaltern eine äußerst hochwertige und zuver­ lässige Schutzmaßnahme in Form der sog. Nullungsschutz­ schaltung ermöglicht, andererseits in Netzen, in denen die Nullung nicht zugelassen ist, die Serienschaltung von zwei Fehlerstromschutzschaltern. Naturgemäß soll dabei der nachgeschaltete Schalter selektiv schalten, d. h., daß bei einem Fehler nur die durch ihn geschützte Installation abgeschaltet wird und der vorgeschaltete Schutzschalter, der in der Verteilung mehrere Anlagen­ teile schützt, eingeschaltet bleibt. Diese Forderung kann in einfacher Weise durch die Energiespeicherschal­ tung erfüllt werden. Diese Schaltung vermeidet auch die erwähnten Fehlauslösungen bei atmosphärischen Überspan­ nungen, sie ermöglicht sogar den Einbau von Überspan­ nungsableitern nach den FI-Schutzschaltern. Beim Anspre­ chen der Überspannungsableiter fließt bekanntlich kurzzei­ tig (unter 10 ms) vom Netz zur Erde ein Strom, durch den FI-Schutzschalter mit direkter Auslösung, also ohne elektrische Energiespeicherschaltung, zum Abschalten ge­ bracht werden.

In der DE-AS 20 44 302 ist ein Fehlerstromschutzschal­ ter, der die oberbegrifflichen Merkmale aufweist, be­ schrieben, bei welchem die Sekundärwicklung eines Sum­ menstromwandlers ohne Zwischenschaltung weiterer elek­ tronischer Bauteile mit der Spule des Auslösers verbun­ den ist. Der Magnetkern des Summenstromwandlers weist danach einen Induktionshub (Δ B ₁) von solcher Größe auf, daß die durch einen pulsierenden in einer Primär­ wicklung des Summenstromwandlers fließenden Gleichfeh­ lerstrom induzierte Spannung zur Betätigung des Auslö­ sers ausreicht. Dieses wird durch entsprechende Bemes­ sung des Magnetkerns erreicht. Darüber hinaus ist für den Magnetkern des Summenstromwandlers ein hochpermeabler Werkstoff mit einer Remanenzinduktion vorgesehen, die unterhalb von 40% der Sättigungsinduktion, statisch gemessen, liegt.

Die mit der hierfür erforderlichen Größe des Magnetkerns verbundenen Nachteile hohen Raumbedarfs sind nicht zu übersehen.

Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Tech­ nik, von welchem die Erfindung ausgeht, ist es Aufgabe der Erfindung, einen auch auf Gleichstrom-Fehlerströme ansprechenden Fehlerstrom-Schutzschalter zu schaffen, der kostengünstig in der Herstellung und besonders funk­ tionssicher ist und dabei ein möglichst geringes Bauvo­ lumen beansprucht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzei­ chen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentliches Merkmal ist hierbei der Einsatz eines Summenstromwandlers mit einem Kern aus einem hochpermea­ blen Magnetwerkstoff mit großem Unterschied zwischen Re­ manenz und Sättigungsinduktion in Verbindung mit einer netzspannungsabhängigen elektrischen Energiespeicher­ schaltung. Da hierbei die von primärseitig fließenden pulsierenden Gleichstrom-Fehlerströmen induzierte Span­ nung in der Sekundärwicklung bei gleichem Effektivwert des Primärstromes kleiner ist als bei sinusförmigem Wechselstrom, führt die Energiespeicherschaltung zu ei­ nem günstigeren Auslöseverhalten. Vor allem bleiben die Energieinhalte der Auslöseimpulse, die durch die Schalt­ spannung eines Halbleiterbauelementes gegeben sind, gleich und damit auch die Zuverlässigkeit der Auslösung. Hierin liegt ein erheblicher Fortschritt gegenüber den bekannten FI-Schutzschaltern, die nur bei Wechselstrom wirksam sind, da ihre Auslöseempfindlichkeit durch Gleichstromkomponenten des Fehlerstromes ungünstig be­ einflußt wird.

Da immer mehr elektronische Bauelemente in Haushaltsge­ räten verwendet werden und sich in der Praxis gezeigt hat, daß dann der im Falle eines Körperschlusses flie­ ßende Fehlerstrom immer nur in Form eines pulsierenden Gleichstromes auftritt, kommt der befriedigenden Lösung dieses Gleichstromproblemes durch den erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Fehlerstromschutzschalter besondere Be­ deutung zu. Im Rahmen der Erfindung wird ferner anstelle der früher benutzten Glimmlampe als Schaltelement ein Halbleiterbauelement benutzt. Solche Halbleiterbauele­ mente sind seit einiger Zeit preiswert und in kleinen Abmessungen verfügbar. Mit Schaltspannungen, die bei 10 Volt liegen, ermöglichen sie kleine Sekundärwindungszah­ len des Summenstromwandlers und fast beliebige Auslöse­ kennlinien des Schutzschalters. Um auch den Kondensator klein zu halten, werden als Auslöser vorteilhaft Perma­ nentmagnetauslöser eingesetzt, die man weniger kritisch einstellen und mit größeren Auslösekräften arbeiten las­ sen kann als bei den direkten Schaltungen ohne elektri­ sche Energiespeicherschaltung. Um eine bei wirtschaftli­ chen Kernabmessungen des Summenstromwandlers für den Berührungsschutz günstige Form der Auslösekennlinie des FI-Schutzschalters zu erzielen, kann ferner die Sekundär­ wicklung mit einer Windungszahl versehen sein, die über 100 Windungen liegt.

Die Erregerwicklung des Permanentmagnetauslösers wird mit einer Windungszahl versehen, die für den verwendeten Fehlerstromauslöser bei der Entladung des Kondensators die günstigste Form des Auslöseimpulses ergibt. Erfin­ dungsgemäß ist der Fehlerstromauslöser ein sog. polari­ sierter Permanentmagnetauslöser, der im Erregerkreis einen Luftspalt besitzt. Dies ermöglicht die Herstellung einer Erregerwicklung auf Wickelmaschinen und eine weit­ gehend automatisierte Fertigung.

Ferner ist zwischen der Sekundärwicklung des Summen­ stromwandlers und dem Kondensator eine Spannungsverviel­ fachungsschaltung vorgesehen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für einen Fehlerstromschutzschalter nach der Erfindung schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für die Schaltung des Fehlerstrom-Schutzschalters,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung der Spannungs­ vervielfacherschaltung und des Fehlerstromaus­ lösers dieses Fehlerstromschutzschalters.

Der Kontaktapparat 1 des FI-Schutzschalters nach Fig. 1 wird über das Schaltschloß 2 mittels des Betätigungsor­ gans 2 oder des Fehlerstromauslösers 8 ein- bzw. ausge­ schaltet. Die Erregerwicklung des Fehlerstromauslösers 8 ist über das spannungsabhängige Schaltorgan 7, das als Halbleiterbauelement 7 dargestellt ist, mit dem Impuls­ kondensator 5 verbunden. Er wird über die Spannungsver­ vielfacherschaltung 6 von der Sekundärwicklung des Sum­ menstromwandlers 4 in Abhängigkeit von der Höhe des fließenden Fehlerstromes aufgeladen. Der Kern 9 des Sum­ menstromwandlers ist aus einem hochpermeablen magneti­ schen Werkstoff hergestellt, dessen Remanenzinduktion kleiner ist als 40% der Sättigungsinduktion.

Fig. 2 zeigt deutlich den Auslösekreis, bei dem der Impulskondensator 5 von der Sekundärwicklung des Summen­ stromwandlers 4 über eine Spannungsverdopplungsschaltung aufgeladen wird. Als Fehlerstromauslöser 8 wird ein po­ larisierter Auslöser verwendet, der im Erregerkreis zwi­ schen den Polschuhen 10 und dem Anker 11 einen Luftspalt besitzt, so daß bei abgehobenem Anker die Erregerwick­ lung 12 auf die Polschuhe im fertig gewickelten Zustand aufgebracht werden kann.

Claims (1)

1. Fehlerstromschutzschalter, der auf Gleichstrom-Fehler­ ströme anspricht, mit einem Kontaktapparat, mit einem Schaltschloß mit Freiauslösung und einem Betätigungsor­ gan, mit einem Fehlerstromauslöser und mit einem Summen­ stromwandler, wobei der Magnetkern aus hochpermeablem Werkstoff besteht, mit einer Remanenzinduktion, die un­ terhalb von 40% der Sättigungsinduktion, statisch ge­ messen, liegt, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Feh­ lerstromauslöser (8) eine netzspannungsunabhängige, elektronische Energiespeicherschaltung (5, 6) verbunden ist, die einen Kondensator (5) aufweist, der sich über eine Spannungsvervielfacherschaltung (6) in Abhängigkeit von der Höhe des fließenden Fehlerstromes durch die Se­ kundärwicklung des Summenstromwandlers (4) auflädt und der sich über ein spannungsabhängiges Halbleiter-Bauele­ ment (7) bei Erreichen einer Spannung von ca. 10 Volt impulsartig über die Auslösespule des Fehlerstromauslö­ sers (8) entlädt und dadurch den Fehlerstromschutzschal­ ter auslöst, daß der Fehlerstromauslöser (8) mit einem Permanentmagneten und mit einem Luftspalt im Erreger­ kreis ausgeführt ist, und daß die Erregerwicklung des Fehlerstromauslösers (8) eine Windungszahl aufweist, die die für den Fehlerstromauslöser (8) günstigste Form des Auslöseimpulses bei der Entladung des Kondensators (5) definiert.