DE3332652C2 - Fehlerstromdetektor - Google Patents

Abstract

Stromdetektor mit Hochfrequenzschwingungs-Detektorschaltungen, welche bei hochfrequenten Schwingungen einer vormagnetisierten Drosselspule diese Schwingungen erfassen und eine Ausgangsleistung mit hohem Leistungspegel erzeugen. Wenn nämlich ein Strom großer Stärke durch die Drosselspule fließt und ihre Magnetisierungskurve zum Zwecke der Erzeugung einer normalen Demodulationsausgangsleistung variiert wird, wird die aufgrund des Stromes großer Stärke erfolgende Schwingung der Drosselspule detektormäßig erfaßt und ein Antriebsstromkreis zum Betätigen einer externen Vorrichtung erregt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromdetektor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Solche Fehlerstromdetektoren sind aus den US-PS 37 155 und 39 96 513 bekannt. Sie haben jeweils einen Summenstromwandler mit einer einzigen Sekundärwicklung, die bei unsymmetrischer Stromaufteilung auf die die Primärwicklung bildenden Netzleiter eine Wechselspannung Hefen, die nach Verstärkung und Gleichrichtung über eine Auslöseschaltung ein Netztrennrelais ansprechen läßt. Zwangsläufig können daher auch nur wechselstromführende Netzleiter überwacht werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten Fehlerstromdetektoren besteht darin, daß bei sehr großen Fehlerströmen der Summenstromwandler in die Sättigung gerät in welchem Fall die Sekundärwicklung nur eine sehr kleine Ausgangswechselspannung liefert, so daß die Gefahr besteht, daß gerade in eineai solchen Fall das Netztrennrelais nicht ausgelöst wird.

ίο Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Fehlerstromdetektor der einleitend angegebenen Art zu schaffen, der über einen sehr großen Bereich der Stromstärke des Fehlerstromes sicher anspricht und zwar auch dann, wenn der Fehlerstrom ein Gleichstrom ii-t.

Bei einem Fehlerstromdetektor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kannzeichen des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Fehlerstromschutzschalter nach der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, die Ausführüngsbeispieic und erläuternde Diagramme umfaßt Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform,

Fig.2A und 2B ein Schaltbild dieser Ausführungsform,

Fig.3A bis 3E Signaldiagramme an verschiedenen Stellen der Schaltung nach F i g. 2,

Fig.4A und 4B zwei verschiedene Magnetisierungskennlinien des Summenstromwandlers,

F i g. 5A und 5B ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des Fehlerstromdetektors und

F i g. 6 ein Teilschaltbild einer dritten Ausführungsform.

Gemäß F i g. 1 speist eine Wechselstromquelle 11 über Leitungen 12 und 13 einen Verbraucher 14. Zwisehen die Wechselstromquelle 11 und den Verbraucher 14 ist eine geerdete Leitung 15 geschaltet. Jeder Unterschied zwischen einem durch die erste Leitung 12 fließenden Strom /| und einem durch die zweite Leitung 13 fließenden Strom /2, wie z. B. ein Leckgleichstrom oder Leckwechselstrom, der zu erfassen ist kann durch den Stromdetektor 10 mit einer vormagnetisierten Drosselspule 16 detektormäßig ermittelt werden. Der Stromdetektor 10 weist'eine Stromspeiseschaltung 20, eine Anlasserschaltung 30, eine unmittelbar an die vormagneiisierte Drosselspule 16 angeschlossene Multivibratorschaltung 40, Betriebsartendetektorschaltungen 50 und 6Λ, eine Differenzverstärkerschaltung 70, eine Leistungspegeldiskriminatorschaltung 80, eine Spannungsdetektorschaitung 90, Hochfrequenzschwingungs-Detektorschaltungen 100 und 110 und einen Antriebsstromkreis 120 auf.

Die Stromspeiseschaltung 20 wird mit Wechselstrom über die Leitungen Λ2 und 13 gespeist, so daß der Wechselstrom in Gleichstrom umgesetzt und der Anlasserschaltung 30 zugeführt wird, in welcher der Eingangsgleichstrom in der Spannung konstant gemacht wird, so daß eine konstante positive Gleichspannung + V_n- und eine konstante negative Gleichspannung — V_n- in den Leitungen 31 bzw. 32 vorgesehen und der Multivibratorschaltung 40, den Betriebsartendetektorschallungen 50 und 60, der Differenzverstärkerschaltung 70, der I .cistungspcgeldiskriminalorschaltung 80, der Spannungsdetektorschaitung 90 und den Hochfrequenzschwin-

gungs-Detektorschaltungen 100 und 110 zugeführt werden.

Andererseits schwingt die an die Sekundär- und Tertiärwickiungen 16a bzw. 166 der vormagnetisierten Drosselspule 16 angeschlossene Multivibratorschaltung 40 stets mit einer Periode T, die durch T = 4 - π ■ Φπ/Ec bestimmt ist, worin π die Wicklungszahl der Sekundärbzw. Tertiärwicklungen, H₀ eine an die Sekundär- bzw. Tertiärwicklungen angelegte Spannung und Ö^der magnetische Sättigungsfluß der vormagnetisierten Drosseispule 16 ist, wobei zwei Ausgangsleistungen, welche in bezug auf Maximalwert und Wellenform gleich sind, von der Multivibratorschaliung 40 aufeinanderfolgend den Betriebsartendetektorschaltungen 50 bzw. 60 zugeführt werden, während die Betriebsartendetektorschaltungen 50 bzw. 60 Ausgangsleistungen zueinander entgegengesetzter Phase liefern, welche dem Differenzverstärker 70 zugeführt werden, damit sie darin differential verstärkt werden. Die differential verstärkte Ausgangsleistung wird der Leistungspegeldiskriminatorschaltung 80 als ihre Eingangsleistung zugeführt, wobei dann, wenn die Eingangsleistung einen vorbestimmten Diskriminierungspegel überschreitet, die Leistungspegeldiskriminator-Schaltung 80 eine Ausgangsleistung zum Erregen des Antriebsstromkreises 120 liefert

Die Spannungsdetektorschaltung 90 ist ferner mit der Wechselstromquelle durch die geerdete Leitung 15 und einen Widerstand mit einem entsprechend großen Widerstandswert verbunden, so daß dann, wenn sich die Leitung 12 oder 13 in einem Fehlzustand befindet, die Spannungsdetektor-Schaltung 90 eine in der Leitung vorhandene schwache Spannung erfaßt und verstärkt, um somit den Antriebsstromkreis 120 zu erregen.

Die entsprechenden Ausgangsleistungen der Ai/-triebsartendetektorschaltungen 50 und 60 werden andererseits den Hochfrequenzschwingungs-Detektorschaltungen 100 und 110 zugeführt, so daß dann, wenn ein Leckstrom einer großen Stromstärke, wie z. B. von mehreren A in der Leitung 12 oder 13 vorkommt und die vormagr.etisierte Drosselspule 16 infolge der Veränderung ihrer Magnetisierungskurve mit einer hohen Frequenz schwingt, die Hochfrequenzschwingungs-Deteklorschaltungen 100 und 110 die hochfrequenten Schwingungen erfassen und den Antriebsstromkreis 120 erregen.

Nun wild die Arbeitsweise des trfindungsgemäßen Stromdetektors 10 unter Bezugnahme auf die eine praktische Schaltungsanordnung des Stromdetektor.s zeigenden F i g. 2A und 2B näher beschrieben. Sobald nun die Kontakte 131 und 1£2 eines mit den Leitungen 12 und 13 verbundenen und im vorliegenden Fall eine externe Vorrichtung des Antriebsstromkreises bildenden Relais 130 von Hand geschlossen werden, wird ein Transistor 33 in der Anlassers: haltung 30 ausgeschaltet. Die Impedanz betreffender zwischen die weiteren Leitungen 21 und 22 in der Stromspeiseschaltung 20 geschalteter Elemente ist groß, so daß eine zwischen den weiteren Leitungen 21 und 22 entwickelte Spannung abrupt groß wird. Sobald eine Spannung zwischen der Leitung 21 und Erde die Zenerspannung einer Zenerdiode 34 in der Anlasserschaltung 30 überschreitet, wird der Transistor 33 leitend geschaltet und die zwischen den weiteren Leitungen 21 und 22 erzeugte Spannung wird klein, so daß die Gleichstromspannungen an die betreffenden Teile des Stromdefsktors abrupt angelegt werden, wie darauf teilweise Bezug genommen wurde, so daß der Gesamtstromdetektor veranlaßt wird, in sehr kurzer Zeit betätigt zu werden.

Bis die Kontakte 131 und 132 geschlossen bleiben und in der Verbraucherschaltung keine Abnormität, wie z. B. Leck, voi kommt, ist ein durch die vormagnetisierte Drosselspule 16 erfaßter Strom gleich Null, wobei eine von der Leistungspegeldiskriminatorschaltung 80, der Spannungsdetektorschaltung 90 oder den Hochfrequenzschwingungs-Detektorschaltungen 100 und 110 zum direkten Erregen des Antriebsstromkreises 120 gelieferte Ausgangsleistung bei niedrigem Pegel liegt, so daß der Antriebsstromkreis 120 nicht erregt wird.

Nun wird die normale Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Stromdetektors unter Bezugnahme auf die Fig.3A zusätzlich näher beschrieben. Wenn sich die durch die Leitungen 12 und 13 fließenden Ströme in einem ausgeglichenen Verhältnis befinden, sind die in die Sekundär- und Tertiärwicklungen der vormagnetisierten Drosselspule 16 induzierten Spannungen gleich NuIL Sogar dann schwingt die Multivibratorschaltung 40 jedoch mit der obenerwähnten Schwingungsperiode T und die Transistoren 41 und 42 L" der Schaltung 40 werden mit einem Betriebsartverhähr-is von 50% innerhalb der Schwingungsperiode T periodisch wiederkehrend ein- bzw. ausgeschaltet Wenn der erste Transistor 4! in der Multivibratorschaltu.ig 40 ein- und der zweite Transistor 42 ausgeschaltet ist fließt ein Strom durch die Sekundärwicklung 16a der Drosselspule 16 und einen Widerstand 43. In der Anfangsstufe des Einschaltens des ersten Transistors 41 wird ein Konstantstrom aus einem Stromerzeuger 44 durch eine erste Diode 45 und aus einem Stromerzeuger 46 durch eine zweite Diode 47 dem Transistor 41 zugeführt, da die Grundspannung des ersten Transistors 41 niedrig ist Sobald diese Grundspannung eine vorbestimmte Höhe überschreitet verschiebt sich der erste Transistor 41 in seine aktive Z-/ Zone. Eine Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter des ersten Transistors 41 ist als »/« in der F i g. 3 A gezeigt

Sobald andererseits die Grundspannung des ersten Transistors 41 ausreichend hoch wird, wird ein konstanter Strom aus dem Stromerzeuger 44 duch eine dritte Dicde 48 und aus dem Stromerzeuger 46 durch eine vierte Diode 49 dem zweiten Transistor 42 zugeführt, so daß dieser eingeschaltet und der erste Transistor 41 ausgeschaltet wird. Nach diesem leitenden Schalten des zweiten Transistors 42 fließt ein Strom in den zweiten Transistor 42 durch die Tertiärwicklung 166 der Drosselspule 16 und den Widerstand 43. Eine Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter des zweiten Transistors 42 ist als »//« in der F i g. 3A gezeigt, während eine Änderung einer an den Widerstand 43 angelegten Spannung, wenn die Transistoren 41 und 42 periodisch wiederkehrend ein- und ausgeschaltet werden, als »///« in der F i g. 3A gezeigt ist. Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, sind die Kollektor-Emitter-Spannungen der Transistoren 41 und 42 sowie die an den Widerstand 43 angelegte Spannung in deren Maximalwert konstant gemacht worden, so daß die beiden Ausgangsleistungen desselben Maximalwertes und derselben Wellenform aus d.r Multivibratorschaltung 40 aufeinanderfolgend geliefert werden können.

Wenn ferner konstante Ströme, die wesentlich größer sind als ein normaler Pegel, bei der Multivibratorschaltung 40 von den Stromerzeugern 44 und 46 geliefert werden, wird die Kollektor-Emitter-Spannung der Transistoren 41 und ^2 2 · V_1xZRaJ, worin Ä43 der Wert des Widerstandes 43 ist Das heißt, wenn die Transistoren 41 und 42 in ihre aktive Zone verschoben werden, werden die Transistoren mit ihren verschiedenen Be-

triebsartenzyklen oder ihrer relativen Einschaltdauer abrupt ausgeschaltet, wobei die Schwingung positiv aufrechterhalten wird, so daß sogar dann, wenn ein Fehler in den Vorwärtsspannungen der Dioden 45, 47, 48 und 49 vorkommt, die Kollektor-Emitter-Spannungen der Transistoren 41 und 42 sowie die an den Widerstand angelegte Spannung in deren Maximalwert und Wellenform konstant bleiben und beide Ausgangsleistungen immer desselben Maximalwertes und derselben Wellenform vom Multivibrator aufeinanderfolgend erzeugt werden.

In einer der eine der beiden Ausgangsleistungen der M ultivibratorschaltung 40 aufnehmenden Betriebsartenschaltungen 50 bewirkt der eingeschaltete erste Transistor 41 einen Stromfluß aus einem Stromerzeuger 51 durch eine Diode 52 zum ersten Transistor 41, so daß die weiteren Transistoren 53 und 54 ausgeschaltet werden und ein fünfter Transistor 55 eingeschaltet Vrird, wobei ein Kondensator 56 durch den fünften Transistor 55, eine Diode 57 und den Widerstand 58 aufgeladen wird. Wenn andererseits der erste Transistor 41 nicht leitend ist, so fließt kein Strom durch die Diode 42 und wird durch die Grundspannung des Transistors 53 hoch. Dadurch wird der Transistor 53 eingeschaltet und der Transistor 54 entsprechend eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird der fünfte Transistor 55 ausgeschaltet, so daß der Kondensator 56 durch den Widerstand 58 und den Transistor 54 entladen wird. Die Lade- und Entladespannung des Kondensators 56 ist als »/V« in der Fig.3A gezeigt Die andere Betriebsarten- bzw. Relativeinschattdauerdetektorschaltung 60 arbeitet ähnlich wie die Betriebsarten- bzw. Relativeinschaltdauerdetektorschaltung 50 in Ansprechabhängigkeit von dem EIN- bzw. AUS-Arbeitsgang des zweiten Transistors 42 im Multivibrator 40, wobei die Lade- und Entladespannung des Kondensators 66 in diesem Fall als » V« in der F i g. 3A gezeigt ist

Da in diesem Fall der Widerstand 58 und der Kondensator 56 eine der Betriebsart bzw. Relativeinschaltdauer entsprechende Totemsäulenausgangsleistung aus der Multivibratorschaltung 40 empfangen und die Zeitkonstanten für das Laden und Entladen gleichgemacht werden, verschiebt sich die Kondensatorladespannung auf- und abwärts, wobei ein Nullpegel V zwischen den Gleichstromspannungen + V_1x und — V_n. als Bezugswert vorliegt. Da ein Widerstand 68 und der Kondensator 66 in der anderen Betriebsarten- bzw. Relativeinschaltdauerdetektorschaltung 60 ebenso die Totemsäulenausgangsleistung empfangen und da die Zeitkonstanten für das Laden e.id Entladen gleichgemacht werden, verschiebt sich auf ähnliche Weise die Kondensatorladespannung auf- und abwärts, wobei der Nullpegel VaIs Bezugswert zwischen den Gleichstromspannungen + V_n. und — Vcc vorliegt Infolgedessen haben die Ausgangsleistungen der Betriebsarten- bzw. Relativeinschaltdauerdetektorschaltungen 50 und 60 dieselbe Bezugsspannung, wodurch es unnötig wird, verschiedene Bezugsspannungen für die Betriebsarten- oder Relativcinschaltdauerdetektorschaltungen 50 und 60 auf andere Weise zu stellen oder irgendeine Zwischeneinstellung zwischen diesen Schaltungen 50 und 60 vorzunehmen.

In der die Ausgangsleistungen der Betriebsartenbzw. Relativeinschaltdauerdetektorschaltungen 50 und 60 empfangenden Differentialverstärkerschaltung 70 werden diese zueinander entgegengesetzte Phasen aufweisenden Ausgangsleistungen durch die Arbeitsverstärker 71 und 72 differential verstärkt wobei die Detektionsempfindlichkeit in der Verstärkerschaltung 70 verdoppelt wird, da sich die Ausgangsleistungen der Betriebsarten- bzw. Relativeinschaltdauerdeicktorschaltungen in einem zueinander entgegengesetzten Phasenverhältnis befinden. Die Ausgangsleistung der Verstärkerschaltung 70 ist als » V/« in der F i g. 3A gezeigt. Die die Ausgangsleistung der Arbeitsverstärkerschaltung 70 empfangende Diskriminatorschaltung 80 weist eine Vollweg-Gleichrichterschaltung 80a und eine Zeilverzögerungsschaltung 806 auf. Die Vollweg-Gleichrichterschaltung 80a integriert Wechselstromkomponenten in der Ausgangsleistung der Verstärkerschaltung und erzeugt eine Ausgangsleistung wie »V//« in der Fig.3A. In der Zeitverzögerungsschaltung 80t fließt ein Strom durch einen Widerstand 826, so daß eine

is Emitterspannung eines Transistors 816 die von der Ausgangsleistung aus der Vollweg-Gleichrichterschaltung 80a abhängige sein wird. Gleichzeitig ist ein Transistor 83/; lciicr.d und ein durch den Transistor 83i> fließender Strom wird als Leckempfindlichkeitsbezugsstrom verwendet Ein durch einen Kondensator 846 fließender Strom ist daher dem Leckstrom äquivalent und bestimmt eine Zeit W, während welcher das Relais 130 durch den Antriebsstromkreis 120 erregt wird. Wenn sich die durch die Leitungen 12 und 13 fließenden Ströme in Gleichgewichtsverhältnis befinden, d. h. wenn sie normal sind, ist der durch den Transistor 836 fließende Strom gröler als der durch den Kondensator Mb fließende, so daß die Ladespannung des Kondensators 846 gleich Null und somit das Potential gleich — V_1x, wie mit » Villa in der F i g. 3A gezeigt, ist. Die Summe der Vorwärtsspannung, d. h. der Durchlaßspannung (Spannung in der Flußrichtung) einer Diode 95b und der Zenerspannung einer Zenerdiode 866 wird ein erster Diskriminationspegel und die Durchlaßspannung der Diode 856 allein ein zweiter Diskriminationspegel sein, der niedriger als der erste Diskriminationspegel ist. Sobald ein elektrisches Leck, d. h. eine elektrische Streuung oder Ableitung in der Leitung 12 bzw. 13 vorkommt, überschreitet die Ladespannung des Kondensators 846 den ersten Diskriminationspegel, so daß die Ausgangsleistung eines Arbeitsverstärkers 876 bei hohem Pegel liegt und das Potential + V«. ist Wenn die Ausgangsleistung des Arbeitsverstärkers 876 zu ihrem hohen Pegel verschoben wird, wird ein Transistor 886 leitend gemacht und nimmt der Arbeitsverstärker 876 seine diskriminierende Funktion gemäß dem zweiten Diskriminationspegel vor. In Ergebnis wird sogar dann, wenn die Spannung am Kondensator 846 verringert wird, der Diskriminationspegel entsprechend verringert so daß ein derart verzerrter vagabundierender Wechselst! om ohne weiteres als Phasensteuersignal detektormäßig erfaßt werden kann.

Wenn die Ausgangsleistung des Arbeitsverstärkers, & h. des Funktions- oder Rechenverstärkers 876 auf ihren hohen Pegel übergeht wird ein Transistor 896 eingeschaltet wogegen der Transistor 836 ausgeschaltet wird, so daß der Strom für den Transistor 836 nicht durch diesen fließt sondern der Kondensator 846 wird mit dem Wert dieses Stromes geladen, so daß auch bei dieser Anordnung ein verzerrter Leckstrom zufriedenstellend detektormäßig erfaßt werden kann.

Nachfolgend wird auf den Fall Bezug genommen, in welchem ein vagabundierender Gleichstrom gemäß F i g. 3B durch die vormagnetisierte Drosselspule 16 er-

faßt wird. Wenn ein solcher in der Fig.3B mit »/« gezeigter vagabundierender Gleichstrom zu einem Zeitpunkt fl erfaßt wird, verändern sich die Kollektor-Emitter-Spannungen der Transistoren 41 und 42 sowie

die ;in den Widerstand 43 angelegte Spannung so wie in der F i g. 3B mit »//« bzw. »III« bzw. »/V« gezeigt, wobei die Werte des Verhältnisses der relativen Einschaltdauer für die Transistoren 41 und 42 von 50% abweichen und diese Abweichung durch die Einschaltdauerdetcktorschaltungen 50 und 60 erfaßt wird. Für den Fachmann wird ersichtlich sein, daß die Ausgangsspannungt*- der dabei erfassenden Schaltungen 50 und 60 dann so wie in der Fig.3B mit »V« und »VI« gezeigt sein werden und daß die Ausgangsspannung der Differentialverstärkerschaltung 70 so wie in de,· F i g. 3B mit »VIIu gezeigt und somit die Ausgangsspannung der Vollweg-Gleichrichterschaltung 80a so wie in der F i g. 3B mit » VIII« gezeigt sein wird. Ein Funktionsverstärker 816' in der Zeitverzögerungsschaltung 806 erzeugt ferner ein Ausgangssignal, um die Emitterspannung des Transistors 816 der Ausgangsspannung der Voüweg-Gleichrichterschaltung 80a anzugleichen, so daß die Spannung air. Kondensator 846 se wie in der Fig.3B mit »IX« gezeigt stufenweise erhöht wird. Sobald die Spannung am Kondensator 846 den ersten Diskriminationspegel zu einem Zeitpunkt 12 nach der Zeitperiode Wüberschreitet, geht die Ausgangsleistung des Funktionsverstärkers 876 auf ihren hohen Pegel über, wobei ein Transistor 121 im Antriebsstromkreis 120 eingeschaltet wird, so daß eine Spule im Relais 130 zum Zeitpunkt 12 so wie in der Fig.3B mit »X« gezeigt erregt wird und die Relaisschalter 131 und 132 zum öffnen des Verbraucherstromkreises ausgeschaltet werden.

Ur..er Bezugnahme auf die F i g. 3C wird nun der Fall der Erfassung eines vagabundierenden Wechselstromes durch die Drosselspule 16 zu erläutern sein. Wenn ein solcher Wechselleckstrom gemäß »/« in der F i g. 3C zu einem Zeitpunkt f 3 erfaßt wird, werden die Kollektor-Emitter-Spannungen der Transistoren 41 und 42 in dem Multivibrator 40 mit »//« und »III« in der Fig.3C gezeigt. Teile der Spannung ///, mit Pfeilen angedeutet, sind als vergrößert in der F i g. 3C mit »/V« gezeigt Die Relativeinschaltdauerverhältnisse der Transistoren 41 und 4j weichen von 50% je nach dem Wert des Leckstromes ab und ihre Abweichung wird durch die ReIativeinschalldauerdetektorschaltungen erfaßt. Entsprechende Ausgangsleistungen der Einschaltdauerdetektorschaltungen 50 und 60 und des Differentialverstärkers 70 sind so wie in der Figur mit» V«,» VI« und » VII« gezeigt, während die Ausgangsspannung der Vollweg-Gleichrichterschaltung 80a in der Leistungspegeldiskriminatorschaltung 80 so wie in der Fig.3C mit »VIII« gezeigt ist. Bei der Wellenform VIII entspricht eine einen Spalt zwischen dem Nuilvoltpegel und einer strichpunktierten Linie anzeigende Spannung V1 der Entladespannung des Kondensators 846 und die schraffierten Bereiche entsprechen der Ladespannung des Kondensators 846. Der Funktionsverstärker 816' liefert eine Ausgangsleistung, um die Emitterspannung des Transistors 816 der Ausgangsspannung der Vollweg-Gleichrichterschaltung 80a gleichzumachen. Daher wird die Spannung am Kondensator 846 gemäß der F i g. 3C, bei »IX« stufenweise erhöht, wobei dann, wenn die Kondensatorspannung den ersten Diskriminationspegel zu einem Zeitpunkt ί 4 nach der Zeitperiode Wüberschreitel, die Ausgangsspannung des Funktionsverstärkers 876 auf ihren hohen Pegel übergeht. Dies bewirkt, daß der Transistor 121 im Antriebsstromkreis 120 eingeschaltet und das Relais 130 erregt wird, um den Verbraucherstromkreis zu öffnen.

Wenn ferner der in der F i g. 3D mit»/« gezeigte verzerrte Leckwechselstrom zu einem Zeitpunkt f5 als phasenwinkelgesteuert erfaßt wird, werden die Kollcktor-Emitter-Spannungen der Transistoren 41 und 42 im Vibrator 40 so wie in der Fig.3D mit »II« und »III« gezeigt sein. Die Relativeinschaltdauerverhältnisse der Transistoren 41 und 42 weichen von 50% je nach dem Wert des Leckstromes und ihre Abweichung wird durch die Relativeinschaltdauerdetektorschaltungen erfaßt. Entsprechende Ausgangsspannungen der Relativein-

schaitdauerdetektorschaltungen 50 und 60 und des Differentialverstärkers 70 sind so wie in der Fig. 3D mit »/V« bzw. » V« bzw. » VI« gezeigt, wobei die Ausgangsspannung der Vollweg-Gleichrichterschaltung 80a in der Leistungspegeldiskriminatorschaltung 80 so wie in der F i g. 3D mit » VII« gezeigt ist und die Spannung am Kondensator 846 so wie mit » VIII« gezeigt stufenweise erhöht wird. Wenn die Kondensatorspannung den ersten Diskriminationspegel zu einem Zeitpunkt f 6 in einer Wellenform JX überschreitet, wird der Antriebs-Stromkreis 120 erregt und das Relais 130 betätigt.

Nun wird auf den Fall Bezug genommen, in welchem die erste Leitung 12 an einer Stelle P unterbrochen wird. In diesem Falle wird ein bisher aus der Wechselstromquelle 11 durch die zweite Leitung 13 in den Verbraueher 14 fließender Strom von dem Verbraucher durch die erste Leitung 12, die Diode 23 in der Stromspeiseschaltung 20, die Leitung 31 in der Anlasserschaltung 30, eine zwischen den Leitungen 31 und 32 vorgesehene Belastung, die Leitung 32, die Diode 24, den Widerstand 25 und die geerdete Leitung 15 zur Wechselstromquelle 11 zurückgeführt. Daher sind die in den Leitungen 12 und 13 an der vormagnetisierten Drosselspule 16 fließenden Ströme ausgeglichen, so daß der Antriebsstromkreis 120 nicht mit einem die Drosselspule 16 enthaltenden Stromkreis erregt wird. Dann wird der Wechselstrom zwischen den Leitungen 13 und 15 in der Stromspeiseschaltung 20 in Gleichstrom umgesetzt. In diesem Zustand fließt ein derart schwacher Strom wie 100 μΑ durch einen zwischen die Spannungsdetektorschaltung 90 und die die Stromspeiseschaltung 20 mit der Leitung 15 verbindende Leitung geschalteten Widerstand 140 (F i g. 2B) zum Gleichmachen eines einem inversen Eingang eines Funktionsverstärkers 91a in der Spannungsdetektorschaltung 90 zugeführten Stromes mit einem einem nichtinversen Eingang des Verstärkers 91a zugeführten.

Die Spannungsdetektorschaltung 90 weist eine Spannungsverstärkerschaltung 90a mit dem Funktionsverstärker 91a, eine Vollweg-Gleichrichterschaltung 906

so und eine Zeitverzögerungsschaltung 90c auf. Der Funktionsverstärker 91a verstärkt den ihm zugeführten Schwachstrom — nämlich durch den Widerstand 140 zugeführten — und schickt eine verstärkte Ausgangsleistung in die Vollweg-Gleichrichterschaltung 906. Die Arbeitsweise der Voliweg-GIeichrichterschaltung 906 und der Zeitverzögerungsschaltung 90c ist dieselbe wie jene der Vollweg-Gleichrichterschaltung 80a bzw. der Zeitverzögerungsschaltung 806 in der Leistungspegeldiskriminatorschaltung 80. Daher liegt die Ausgangsleistung des Funktionsverstärkers 97c in der Zeitverzögerungsschaltung 90c bei hohem Pegel, so daß der Transistor 12i im Antriebsstromkreis 120 eingeschaltet und das Relais 130 erregt wird.

Darüber hinaus wird nun auf den Fall Bezug genommen, in welchem es sich um einen starken vagabundierenden Gleichstrom gemäß F i g. 3E handelt Wenn ein solcher in der Fig.3E mit »/« gezeigter Leckstrom zu einem Zeitpunkt 17 erfaßt wird, zeigt die vormagneti-

sierte Drosselspule 16 die in der F i g. 4A dargestellte Magnetisierungskennlinie einer Hysteresiskurve bei der konstanten Periode T, so lange wie der Leckstrom während einer Zeitspanne, z. B. von der Zeit 17 bis zu einer Zeit f 8, verhältnismäßig schwach ist. Sobald der Zeitpunkt f 8 erreicht wird und der Leckstrom so groß wie z. B. mehrere A geworden ist, wird die Magnetisierungskurve der Drosselspule in eine mit einer Periode geändert, die kürzer ist als die in der F i g. 4B gezeigte Periode T, wobei die Drosselspule 16 mit hoher Frequenz schwingt. Diese hochfrequente Schwingung führt zu dem Ergebnis, daß die auf den Leckstrom, d. h. den zu erfassenden Strom, ansprechende Änderung der Betriebsart bzw. der relativen Einschaltdauer nichtlinear wird. Im Bereich des Leckstromes nach dem Zeitpunkt f8, zu welchem der Multivibrator 60 mit hoher Frequenz schwingt, sind die Transistoren 41 und 42 im Multivibrator 40 im wesentlicher, eingeschaltet »nd die Transistoren 53 und 34 in der Betriebsarten- oder ReIativeinschaltdauerdetektorschaltung 50 im wesentlichen ausgeschaltet, während der Transistor 55 im wesentlichen eingeschaltet ist Als Ergebnis wird der proportional zum noch kleineren Leckstrom linear geladene Kondensator bis zum Zeitpunkt / 8 veranlaßt, nach einer in der F i g. 3E mit»//« gezeigten Zeit r9 nichtlinear geladen zu werden.

Die Transistoren 63 und 64 in der Relativeinschaltdauerdetektorschaltung 60 sind auch im wesentlichen ausgeschaltet, während ein Transistor 65 im wesentlichen eingeschaltet ist, so daß der Kondensator 66, der proportional zum kleineren Leckstrom linear entladen worden ist, seine Entladung vor einer Zeit 110 stoppt und seine Ladung so wie in der F i g. 3E mit»///« gezeigt beginnt Die Kondensatoren 56 und 66 erreichen eine vorbestimmte Ladespannung im wesentlichen gleichzeitig, wobei die Ausgangsleistung des Differentialverstärkers 70, wie in der F i g. 3E mit »/V« gezeigt, rasch Null wird. Infolgedessen wird der Antriebsstromkreis 120 nicht durch die Differentialverstärkerschaltung 70 und die Leistungspegeldiskriminatorschaltung 80 erregt

Bei der vorliegenden A/asführungsform werden die Ausgangsleistungen der Relativeinschaltdauerdetektorschaltungen 50 und 60 auch den Hochfrequenzschwingungs-Detektorschaltungen 100 bzw. 110 zugeführt Das heißt, zum Zeitpunkt f 9, wenn der Pegel eines aus der Relativeinschaltdauerdetektorschaltung 50 einem nichtinversen Eingang eines Funktionsverstärkers 101 in der Hochfrequenzschwingungs-Detektorschaltung 100 zugeführten Signals einen Bezugspegel V 2 eines inversen Eingangs des Verstärkers 101 überschreitet, dann wird die Ausgangsleistung des Funktionsverstärkers 101 so wie in der Fig.3E mit »V« gezeigt auf hohen Pegel übergehen. Sobald die Ausgangsleistung des Funktionsverstärkers 101 auf hohen Pegel übergeht, wird die Ausgangsspannung des Verstärkers durch eine Diode 102 dem Antriebsstromkreis 120 zugeführt, so daß der Transistor 121 im Stromkreis 120 eingeschaltet und das Relais 130 erregt und die Schalter 131 und 132 geöffnet werden.

Auch dann, wenn zum Zeitpunkt 110 der Pegel eines aus der Relativeinschaltdauerdetektorschaltung 60 einem nichtinversen Eingang eines Funktionsverstärkers 111 in der Hochfrequenzschwingungs-Detektorschaltung 110 zugeführten Signals den Bezugspegel VI eines inversen Eingangs des Verstärkers 111 überschreitet wird die Ausgangsleistung des Verstärkers 111 so wie in der F i g. 3E mit » VI« gezeigt auf hohen Pegel übergehen. Sobald die Ausgangsleistung des Verstärkers 111 auf hohen Pegel übergeht, wird diese Ausgangsspannung durch eine Diode 112 dem Antriebsstromkreis 120 zugeführt. Währerid diese dem Antriebsstromkreis zugeführte Ausgangsleistung nicht nötig ist, da die Ausgangsleistung der Hochfrequenzschwingungs-Deiektorschaltung 100 dem Antriebsstromkreis zugeführt worden ist, wird die Verstärkerausgangsleistung wirkungsvoll verwendet, wenn die Ausgangsleistung der Hochfrequenzschwingungs-Detektorschaltung 110

ίο nicht ausreichend ist.

Sogar dann, wenn ein solcher verzerrter Leckwcchselstrom als ein Phasensteuersignal oder ein großer Leckwechselstrom vorkommt, schwingt die vormagnetisierte Drosselspule 16 mit hoher Frequenz, wobei die Ausgangsleistungen der Hochfrequenzschwingungs-Detektorschaltungen 100 und 110 auf einen hohen Pegel übergehen, so daß der Antriebsstromkreis 120 genau wie im Falle des obenerwähnten großen Gleichstromes (Leckstromes) erregt wird.

Die Fig.5A und 5B zeigen eine praktische Schaltungsanordnung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Stromdetektors, wobei die den Bauteilen gemäß F i g. 2A und 2B entsprechenden Bauteile mit denselben Bezugszeichen unter Benutzung der Zahl 200 versehen sind. Dem einschlägigen Fachmann wird ohne weiteres einleuchten, daß verschiedene Abschnitte in der Schaltung gemäß F i g. 5A und 5B in bezug auf ihre Arbeitskennlinien genauer ausgestaltet sind. Insbesondere werden dann, wenn Wechselstrom einer Stromspeiseschaltung 220 zugeführt wird, die Transistoren 233 und 233a in einer Anlasserschaltung 230 ausgeschaltet, so daß eine Gleichstromspannung zwischen den Leitungen 231a und 232 abrupt, erhöht wird und die Gleichspannungen + V« und — V«· an den Leitungen 231a und 232 an einen Funktionsverstärker 235, einen Antriebsstromkreis 320 und eine Zeitverzögerungsschaltung 280ö in einer Leistungspegeicliskriminatorschaltung 280 angelegt werden. Eine Zenerdiode 236 fungiert, um einen Kondensator 223 daran zu hindem, einer abnorm hohen Spannung ausgesetzt zu werden. Die Werte der Widerstände 237, 238 unu 239 werden ferner so eingestellt, daß sie gleich sind, z. B. 50 kO. Unter diesen Umständen wird dann, wenn die Spannung zwischen den Leitungen 231a und 232 die Zenerspannung einer Zenerdiode 236a überschreitet, diese Diode 236a eingeschaltet und die Ausgangsleistung eines Funktionsverstärkers 235 vom hohen Pegel auf niedrigen Pegel verschoben.
Sobald die Ausgangsleistung des Verstärkers 235 auf

so hohen Pegel übergeht, werden die Transistoren 233 und 233a eingeschaltet, so daß die Gleichspannungen + V„- und — V« abrupt aus den Leitungen 231 und 232 gesendet werden. Da ferner der Transistor 233a eingeschaltet ist, wird bewirkt, daß der Widerstand 239 mit dem Widerstand 237 parallel geschaltet wird, wobei die Spannung zwischen den Leitungen 231a und 232 durch die Widerstände 237, 238 und 239 geteilt und die im inversen Eingang des Funktionsverstärkers 235 gelieferte Bezugsspannung erhöht wird. Es wird daher schwierig für die Ausgangsleistung des Verstärkers 235, wenn sie von niedrigem auf hohen Pegel übergehen soll. Zu diesem Zeitpunkt sendet die Anlasserschaltung 230 eine zwischen den Leitungen 231a und 232 erscheinende Gleichspannung und keine Spannung, die niedriger als die Spannung zwischen den Leitungen 231a und 232 ist Aus diesem Grunde kann der erfindungsgemäße Stromdetektor sogar dann ausreichend betätigt werden, wenn die Spannung der Wechselstromquelle schwankt oder

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sogar dann, wenn der Wechselstrom unterbrochen worden ist

In einer Multivibratorschaltung 240 wird andererseits eine Spannung an einem Widerstand 243 so vorgesehen, daß sie, solange sie niedrig ist die Zenerspannung einer Zenerdiode 243a nicht fiberschreitet so daß die Transistoren 2436 und 243c nichtleitend bleiben und somit ein Strom aus einem Stromerzeuger 246 durch eine Diode 247 oder 249 und nicht durch eine Diode 243d fließt Ein Strom aus einem Stromerzeuger 244 fließt ferner durch eine Diode 248 oder 245 und nicht durch eine Diode 243e. Wenn andererseits eine vormagnetisJerte Drosselspule 216 so gesättigt ist daß die Spannung am Widerstand 243 steigt und die Zenerspannung der Zenerdiode 243.Ί überschreitet wird die Zenerdiode 243a eingeschaltet und werden die Transistoren 2436 und 243c eingeschaltet Die Ströme aus den Stromerzeugern 246 und 244 fließen nicht durch die Dioden 247,249 und 248, 245. sondern sämtlich durch die Dioden 243t/ bzw. 243e, wodurch beide Transistoren 241 und 242. wovon einer eingeschaltet war, ausgeschaltet werden. Infolgedessen werden die Ausgangsleistungen der Transistoren Π41 und 242 in bezug auf ihren Spannungsmaximalwert gleich.

Die F i g. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Vibratorschaltung, welche bei dem erfindungsgemäßen Stromdetektor Anwendung finden kann, worin den Bauteilen gemäß Fig.2A entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen unter Benutzung der Zahl 400 versehen sind. Bei der Schaltung dieses Ausführungsbeispiels hält eine Spannung an einem Widerstand 443, solange sie niedrig ist eine Zenerdiode 443a ausgeschaltet wobei auch die Transistoren 4436 und 443c ausgeschaltet sind, während ein Transistor 443c/eingeschaltet ist. Ein Strom aus einem Stromerzeuger 446 fließt durch eine Diode 447 oder 449 und ein Strom aus einem Stromerzeuger 444 fließt durch eine Diode 445, so daß jeweils einer der Transistoren 441 bzw. 442 eingeschaltet wird. Sobald sich eine Spannung am Widerstand 443 erhöht und die Zenerspannung der Zenerdiode 443a überschreitet wird die Diode 443a eingeschaltet wobei auch die Transistoren 4436 und 443c eingeschaltet werden, während der Transistor 443c/ ausgeschaltet wird, so daß beide Transistoren 441 und 442, wovon jeweils einer eingeschaltet war, nunmehr ausgeschaltet und die Spannungsmaximalwerte der Transistoren 441 und 442 gleich werden.

Bei dem wie oben beschrieben angeordneten erfindungsgemäßen Stromdetektor sind insbesondere die Schwingungsdetektorschaltungen zur Erfassung der so Hochfrequenzschwingung der vormagnetisierten Drosselspule so angeordnet daß der Antriebsstromkreis durch diese Detektorschaltungen erregt und auch durch einen Strom großer Stärke, der zu erfassen ist, wirksam und zuverlässig betätigt wird.

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Fehlerstromdetektor, bestehend aus einem Summenstromwandler mit den den zu überwachenden Strom führenden Netzleitern als Primärwicklung, dessen Sekundärseite an eine Auswerteschaltung angeschlossen ist, auf die eine Au/foseschaltung mit einem Relais zur Abtrennung der Netzleiter bei Feststellung eines Fehlerstromes folgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Summenstromwandler (16) eine erste Sekundärwicklung (i6a) und eine zweite Sekundärwicklung (\6b) aufweist, die in Serie geschaltet sind, daß die Auswerteschaltung einen Multivibrator (40) enthält, dessen frequenzbestimmende Glieder die beiden Sekundärwicklungen des Summenstromwandlers (16) sind, daß jedem der beiden gegenphasige Signale liefernden Ausgänge des Multivibrators (40) je ein Tastverhältnisdetektor (50, 60) nachgeschaltet ist, daß die Ausgänge der Tastverhäitnisdeiektoren (50, 80) mit den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers (70) verbunden sind, auf den ein Schwellwertdetektor (80) folgt, dessen Äusgangssignai der Ausiöseschäuung (120) zugeführt wird, und daß der Ausgang mindestens eines der Tastverhältnisdetektcren mit dem Eingang eines weiteren Schwe'tlwerideickiors (ICG) verbunden ist, dessen Ausgangssignal ebenfalls der Auslöseschaltung (120) zugeführt wird.

2. Fehlerstromdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem anderen Tastverhältnisdetektor ein drittefSchwellwertd^tektor (110) nachgeschaltet ist.

3. Fehlerstromdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Spannungsdetektor (90) umfaßt, dessen Eingang mit dem Nulleiter (15) des Netzes verbunden ist und dessen Ausgangssignal ebenfalls der Auslöseschaltung (120) zugeführt wird.

4. Fehlerstromdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Sekundärwicklungen (16a, i6b) über einen Widerstand (43) mit den Basisanschlüssen zweier Transistoren (41, 42) des Multivibrators (40) verbunden ist.

5. Fehlerstromdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertdetektor(80) eine Vollweggleichrichterschaltung (8OaJ und eine Zeitverzögerungsschaltung (806; umfaßt.

6. Fehlerstromdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsdetektor (90) eine Verstärkerschaltung (9Oa^. eine Vollweg-GIeichrichterschaltung (9Of^ und eine Zeitverzögerungsschaltung (90c·; umfaßt.