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Fehlerstromauslöser für Gleich-, Impuls- und Wechselfehlerströme Die
Erfindung betrifft einen Auslöser für Fehlerstroschutzschalter in beliebigen Netzen,
auch in Verbindung mit Stromrichterschaltungen, zum Schutze von Mensch und Tier
gegen zu hohe ßerührungsspannungen sowie zum Brandschutz.
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Bekannt sind Lösungen, die mittels Summenstromwandler die Gleichheit
der zum elektrischen Betriebsmittel hin- und rückfließenden Strömen bei Wechsel-
oder Drehstromanschluß überwachen (DR-PS 55 26 78). Für diese Lösungen ergibt sich
in der Regel eine Verringerung der Ansprechempfindlichkeit oder sogar ein Versagen
des Auslösers. wenn im Fehlerstrom Gleichstromkomponenten auftreten, wie dies bei
Vorhandensein von Stromrichterschaltungen moglich ist, Weiterhin sind Fehlerstromschutzschalter
mit einem Oszillator und elektronischen Verstärker bekannt (DE-AS 11 90 554).
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Der Oszilletor kann so eingestellt sein, daß seine Schwingbedingungen
nur erfüllt sind, wenn die in der Sekundärwicklung des Wandlers induzierte Spannung
unter einem vorgegebenen Wert verbleibt (DE-PS 16 38 059).
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Durch derartige Anordnungen erhöht sich zwar die Eigensicherheit und
ggf. die Ansprechempfindlichkeit, da aber ebenfalls nur eine Spannungsinduktion
in der Sekundärwicklungdes Summenstromwandlers ausgewertet wird, sind sie für Netze
mit Gleichstromanteilen nicht uneingeschränkt geeignet.
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Bei einem sowohl auf Wechselfehlerstrom als auch Gleichfehlerstrom
ansprechenden Fehlerstromschutzschalter ist die Sekundärwicklung des Summenstromwandlers
in Serie mit der Erregerwicklung des Auslösemagneten und den Anschlüssen für eine
Wechselstromquelle geschaltet (DE-OS 20 43 007). Notwendig ist ein Wandler mit einer
hohen Sekundärwicklungszahl bei geringem ohmschen Widerstand sowie ein zusätzlicher
Wechselstromgenerator, da bei 50 Hz - Erregung eine Phasenlageabhängigkeit der Auslöseempfindlichkeit
auftreten würde.
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Der Schalter ist gekennzeichnet durch eine wesentlich geringere Ansprechempfindlichkeit
bei Gleichstrom gegenüber Wechselfehlerstrom.
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Auch sind Vorschläge zur Anordnung eines magnetfeldempfindli chen
Elements in einem Luftspalt des Summenstromwandlers (DE-OS 20 59 054), Ausführungen
mit Wechsel- oder/und Gleichstroivormagnetisierung (DE-OS 24 21 747), die Auswertung
des transforiatorischen Verhaltens zweier Wicklungen und das periodische Auslesen
des Magnetisierungszustandes einer Kombination von zwei Wandlern mit rechteckiger
Magnetisierungskurve (DE-AS 21 24 178) bekannt. Alle diese Lösungen verlangen einen
relativ hohen Aufwand und erfüllen das Ziel, universell in beliebigen Stromkreisen
einsetzbar zu sein, nur teilweise0 Vor allem muß als Nachteil empfunden werden,
daß oft die Auslöseempfindlichkeit beim Einsatz in Stromkreisen mit variabler Stromform
schwankt.
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Letztlich ist auch eine Schutzschaltung für ein elektrisches Versorgungsnetz
zur Erkennung eines unerwünschten zweiten Erdschlusses ans einem Leiter auf der
Lastseite der Schaltung bekannt (DE-OS 23 38 785).
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Hierzu ist an einen Summenstromwandler eine Oszillatorspule als Primärwicklung
angekoppelt. Bei Erdschluß tritt eine Impedanzänderung in der zu überwachenden Leitung
e.in, die zum Oszillatorkreis zurückreflektiert wird. Die Impedanz des Schwingkreises
ändert sich und damit die Amplitude der Oszillatorausgangsspannung. Diese Oberwachungseinrichtung
ist für alle Stromarten geeignet, wobei jedoch nicht ein Fehlerstrom,.
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sondern der Erdungswi-derstand des Hin- und Ruckleiters als Auslösekriterium
dient.
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Ziel der Erfindung ist es, mit verhältnismäßig geringem Aufwand einen
Fehlerstromauslöser zu schaffen, der ohne anpassende äußere Eingriffe eine nahezu
gleiche Auslöseempfindlichkeit aufweist, wenn die Form des Fehlerstromes zwischen
reinem
Sinusstrom, Wechselstrom mit Gleichstromunterlagerung, Halbwellenstrom bis zu reinem
Gleichstrom variiert. Weiterhin soll der Schalter für einfache Herstellung durch
geringe Primärwindungszahl sowie weniger anspruchsvolles Wandlermaterial geeignet
sein.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, durch Oberwachung der Ströme in der
Zuleitung zu einem elektrischen Betriebsmittel unabhängig von der Stromart bzw.
-form einen Fehlerfall1dargestellt durch das Abweichen der geometrischen Stromsumme
vom Wert Null. hochempfindlich zu signalisieren bzw. den für das Ausschalten eines
Schaltsystems notwendigen Impuls zu erzeugen.
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Die Erfindung wird gelöst, indem mit Hilfe von mindestens einem Summenstrorwandler,
der wenigstens eine Primärwindung und eine Sekundarwicklung aufweist, die Teil eines
Oszilletorschwingkreises ist, infolge der Veränderung der magnetischen Werte des
Wandlers im Fehlerfall die Güte des Schwingkreises beeinflußt wird und die daraus
resultierende Anderung der Amplitude der Oszillatorausgangsspannung als Fehlersignal
dient. Der Mitkopplungsgrad der Oszillatorschaltung wird vorteilhafterweise so gewählt,
daß die Schwingung beim Auftreten eines bestimmten Fehlerstromes aussetzt bzw. die
Amplitude einen bestimmten Wert unterschreitet. Im fehlerfreien Fall wird die Magnetisierungscharakteristik
des Wandlers nur in Form einer partiellen Hysterese durchfahren, im Fehlerstromfall
verschiebt sich der Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskennlinie und die Amplitude
der Schwingung verändert sich.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind entweder zwei Summenstromwandler
vorgesehen, deren Primärwicklungen gleichsinnig und deren Sekundärwicklungen gegensinnig
in Reihe geschaltet sind bzw. umgekehrt, oder es wird ein Summenstromwandler mit
mindestens zwei magnetischen Kreisen vorgesehen, um zu verhindern, daß Fehlerspannungen
in die Oszillatorschaltung induziert werden bzw. die Onzillatorfrequenz in das zu
überwachende Netz gelangt.
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Die Erfindung soll anhand der Anwendung in einem Fehlerstromschutzschalter
für ein Dreiphasennetz mit Neutralleiter erläutert werden. Eine Anwendung ist jedoch
in Netzen mit beiiebiger Phasenzahl mit und ohne Neutralleiter und ebenfalls in
Gleichstromnetzen uneingeschränkt möglich.
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Die drei Phasenleiter 1. 2, 3 sowie der Neutralleiter 4 werden durch
den noch zu beschreibenden Wandlerbaustein 5 geschleift. Der Ausgang 6, 7 dieses
Bausteines besteht aus den Sekundärwicklungen des/der Wandler und wird mit dem Kondensator
6 zu einem Schwingkreis zusammengeschaltet. Dieser Schwingkreis wird auf geeignete
Art und Weise entdämpft.
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Das geschieht im beschriebenen Beispiel mit Hilfe eines abgleichbaren
Mitkopplungszweiges 9 in der Oszillatorschaltung.
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Der Schwingkreis liegt hierbei im Gegenkopplungszweig des Verstärkers
10 a, 10 b. Findet ein Reihenschwingkreis Verwendung, bildet dieser die komplexe
Mitkopplung. Die Gegenkopplung kann dann reel sein. Die Schwingkreisspannung, deren
Frequenz im Beispiel wesentlich größer als die Netzfrequenz ist, gelangt über einen
Gleichrichter 11 und einem Tiefpaß 12 an den Schwellwertschalter 13. Das Ausgangssignal
des Schwellwertschalters dient zur Ansteuerung des Auslösers 15, wobei gegebenenfalls
eine Leistungsstufe 14 zwischengeschaltet wird. Der Auslöser betätigt seinerseits
ein Schaltschloß 16, womit im Auslösefall die Kontakte 17 a...d des Hauptstromkreises
geöffnet werden. Ebenso könnte das Signal der Leistungsstufe 14 direkt zur Betätigung
eines Schaltschützes verwendet werden.
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Die Anderung der Amplitude im Fehlerfall ergibt im Zusammenhang mit
dem Grad der Mitkopplung ein Maß für die Größe des Fehlerstromes, wodurch die Ansprechempfindlichkeit
des Auslösers auf einfache Weise einstellbar ist.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, die gleichgerichtete Oszillatorspannung
einem Integrator mit veränderbarer Zeitkonstante zuzuführen, wodurch sich die Auslöseverzögerungszeit
der Einrichtung einstellen läßt.
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Der erfindungsgemäße Auslöser ist für reinen Wechselstrom bis hin
zum reinen Gleichstrom gleichermaßen empfindlich, weil nicht die im Fehlerfall in
der Sekundärwicklung des Summens'tromwandlers induzierte Spannung, sondern die veränderte
Impedanz bzw. Dämpfung des Oszillatorschwingkreises erfaßt und ausgewertet wird.
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Die Abbildung 2 und 3 zeigen Varianten für den Aufbau des Wandlerbausteines
5. Der Baustein nach Abb. 2 enthält zwei Summenstromwandler,e wobei die Primärwicklung
beider Wandler gleichsinnig und die Sekundärwicklung gegensinnig in Reihe geschaltet
sind oder umgekehrt.
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Das geschieht, um zu verhindern, daß beim Auftreten von Wechselfehlerströmen
Spannungen in die Oszillatorschaltung induziert werden, was eine korrekte Arbeitsweise
stören würde.
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Die Wandlereinheit nach Abb. 3 arbeitet mit einem Wandler mit verzweigtem
Magnetkreis. Durch geeignetes Aufbringen der Primär- und Sekundärwicklungen ist
eine induktive Entkopplung ähnlich wie in der Zwei-Wandler-Anordnung nach Abb. 2
erreichbar.
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