DE3543948C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erfassen von Fehlerströmen mit einem Summenstromwandler, dessen Primärwicklungen durch Netzleiter gebildet sind und der mindestens zwei Wandlerkerne, vorzugsweise aus einem Material mit geringer Koerzitivfeldstärke enthält, deren Sekundärwicklungen hintereinandergeschaltet und dessen Erregerwicklungen gegeneinander geschaltet sind, und mit Mitteln zum Erzeugen eines Erregungsstromes sowie einer Auswerteeinrichtung.

Bei der Installation von elektrischen Anlagen wird gefor­ dert, daß Ströme, die von einem Verbraucher direkt zur Erde abfließen oder einen anderen Rückweg als über einen Außen- oder Mittelpunktsleiter nehmen, einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreiten dürfen, da sonst Menschen oder Tiere gefährdet werden können. Diese Schwelle liegt im Bereich von einigen mA.

Zur Anzeige von Fehlerwechselströmen können die Außen­ leiter und der Mittelpunktsleiter als Primärleiter durch einen Summenstromwandler hindurchgeführt werden, dessen Sekundärwicklung in einem Anzeige- oder Auslöse­ stromkreis angeordnet ist. Solange kein Fehlerstrom fließt, ist die Summe der Primärströme, die den Sum­ menstromwandler durchsetzen, Null. Im Kern des Wandlers wird kein magnetischer Fluß erzeugt und an der Sekun­ därwicklung des Wandlers somit auch keine Spannung in­ duziert. Tritt ein Fehlerstrom auf, so wird die Summe der Ströme ungleich Null und im Ausgangskreis des Wandlers fließt ein Strom, mit dem nach entsprechender Verstärkung ein Auslöser für einen Schutzschalter betätigt werden kann. In dieser Anordnung arbeitet der Summenstromwandler als Transformator. Für die Erfassung von Fehlergleich­ strömen ist die Anordnung nicht geeignet.

Aus der DE-OS 19 46 608 ist eine Anordnung zum Überwachen von Gleichströmen mit zwei Ringkernen bekannt, die nach dem Transduktorprinzip arbeitet, die zwei zueinander gegenläufig gewickelte Vormagnetisierungswicklungen und zwei Rückkopplungswicklungen, deren Rückkopplungsstrom mit dessen Amperewindungszahl sich zur Amperewindungszahl des Gleichstromes für die eine Stromrichtung addiert und für die entgegengesetzte Stromrichtung subtrahiert. Weiterhin ist aus der DE-OS 33 07 443 eine Fehlerschutzschaltung ebenfalls nach dem Transduktorprinzip bekannt, bei der durch einen Fehlerstrom eine Magnetisierung eines Summen­ stromwandlers erfolgt, welche eine Abnahme der Induktivi­ tät der Sekundärwicklung hervorruft. Dabei wird über die Prüfspannung im wesentlichen die Permeabilität des Wand­ lermaterials abgefragt.

Weiterhin ist aus der DE-AS 25 55 255 eine Anordnung zum Erfassen von Fehlerströmen beliebiger Stromart bekannt, bei der zwei Summenstromwandler jeweils mit einer Sekun­ därwicklung und zwei Vormagnetisierungswicklungen versehen sind.

Die Vormagnetisierung enthält eine Wechselstrom- und eine Gleichstromkomponente, so daß im fehlerfreien Zustand die Vormagnetisierung nur zwischen einem Sättigungswert und einem Wert pendelt, der unterhalb der Remanenz-Induktion liegt. Die erzeugte Vormagnetisierung des einen Summen­ stromwandlers ist gleichsinnig und die des anderen Summen­ stromwandlers gegensinnig zu den jeweiligen Primärwicklun­ gen gerichtet. Die Wandlerkerne bestehen aus einem Mate­ rial mit einer sogenannten Z-Schleife. Beim Auftreten des Fehlerstromes wird der steilste Teil der Hystereseschleife zur Erzeugung eines Signals ausgenutzt. Hierbei wird durch die gleichzeitige Wirkung von Fehlerstrom und Vormagneti­ sierungsstrom der steilste Teil der Hystereseschleife teilweise oder ganz durchlaufen, was zu einer starken Änderung des Magnetflusses im Summenstromwandler führt und ein entsprechendes Spannungssignal in der Meß- oder Sekun­ därwicklung erzeugt. Eine derartige Anordnung erfordert jedoch eine Justierung der Vormagnetisierung, um den steilsten Teil der Hystereseschleife ausnutzen zu können DE-AS 25 55 255.

In gleicher Weise wird schließlich bei der DE-PS 28 51 381 durch die Magnetisierung des Wandlermaterials und die daraus folgende Permeabilitätsabnahme die Induktivität der Vormagnetisierungswicklung reduziert, deren Spannungsände­ rung bei eingeprägtem Vormagnetisierungsstrom ein Maß für die Fehlerstromamplitude darstellt.

Die bekannten Anordnungen sind teilweise recht aufwendig. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine ver­ einfachte und verbesserte Anordnung zum Erfassen von Fehlerströmen zu schaffen. Bei dieser Anordnung soll der Aufwand für die Verarbeitung der Signale minimiert sein. Insgesamt soll die neue Anordnung auf sehr geringe Feh­ lerströme ansprechen.

Die Aufgabe ist bei einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Weitere Vorteile ergeben sich durch die Unteransprüche.

Bei der Erfindung können durch eine fehlerstromabhängige Remanenzsteuerung auch kleine Fehlerströme erkannt werden und man erhält eine entsprechend hohe Empfindlichkeit. Es hat sich gezeigt, daß auch noch Fehlerströme mit sehr geringer Stromstärke von etwa 1 bis 2 mA erfaßt werden können. Es wird ein vom Fehlerstrom abhängiger Wert der remanenten Induktion erzeugt. Der Erregerstrom wird ge­ taktet und besteht aus einer Folge von Impulsen, denen jeweils wenigstens eine Halbschwingung mit kleiner Amplitude oder eine Strompause folgt. Für die Anzahl Weiss′scher Bezirke, die ihre Magnetisierung irreversibel ändern, ist die Magnetisierungsdauer maßgebend, die somit möglichst groß gewählt wird. Der zeitliche Abstand der zur Abfrage dienenden Stromimpulse des Erregerstromes mit großer Amplitude beträgt im allgemeinen wenigstens 1 ms, vorzugsweise wenigstens 5 ms; sie wird jedoch im allge­ meinen 50 ms nicht wesentlich überschreiten. Da in den Wandlerkernen ein verhältnismäßig großer magnetischer Fluß erzeugt werden muß, werden Ringkerne, insbesondere Ring­ bandkerne, verwendet.

Ausgehend von der Remanenz, die vom Fehlerstrom während der Halbschwingungen mit kleiner Amplitude bzw. während der Strompausen aufgebaut ist, bewirken die Halbschwin­ gungen mit großer Amplitude wenigstens annäherend eine Sättigung der Wandlerkerne. Die remanente Induktion ist somit der Startpunkt des Induktionshubs.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer zwei­ poligen Anordnung zum Erfassen von Fehlerströmen be­ steht darin, daß die Erregerspannung von der Netzspan­ nung abgeleitet wird. Für zweipolige Fehlerstromschutz­ schalter kann der Erregerstromkreis als Impulsformer beispielsweise eine Parallelschaltung aus einem Wider­ stand mit einer Reihenschaltung aus einer Diode und einem weiteren Widerstand enthalten. In der Halbschwin­ gung in Durchlaßrichtung der Diode mit dem Gesamtwider­ stand der Parallelschaltung erhält man dann entspre­ chend große Impulse, während in der Gegenrichtung durch den hohen Widerstand die Impulse mit geringer Amplitude erzeugt werden. Zum Erzeugen von Impulsen mit steiler Stirnflanke kann auch ein Thyristor vorgesehen sein. Große Impulse in beiden Richtungen erhält man mit einer Gegenparallelschaltung von Thyristoren.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbei­ spiel einer Anordnung zum Erfassen von Fehlerströmen nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Fig. 1 zeigt die Schaltung der Anordnung und in Fig. 2 ist der Verlauf des Erregerstromes I_e als Dia­ gramm veranschaulicht. In Fig. 3 ist eine besondere Ausführungsform eines Impulsformers des Erregerstrom­ kreises dargestellt. Fig. 4 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Magnetisierungsimpulse, wie sie mit der Anordnung nach Fig. 3 hergestellt werden. In Fig. 5 ist eine besondere Ausführungsform des Erregerstromes veranschaulicht. Fig. 6 zeigt eine vorteilhafte Aus­ führungsform des Summenstromwandlers.

In der Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 1 ist ein Summenstromwandler 2 mit einer Primärwicklung 3 und zwei Erregerwicklungen 4 und 5 sowie einer Sekundär­ wicklung 6, die auf zwei Kernen 7 und 8 mit kleiner Koerzitivfeldstärke und hoher Permeabilität angeordnet ist. Als Primärwicklung dienen Netzleiter mit ihrem Mittelpunktleiter, die in der Figur als gemeinsame Wicklung dargestellt und mit drei bezeichnet sind. Sie sind durch beide Kerne 7 und 8 hindurchgeführt. Die Sekundärwicklung 6 ist auf beide Kerne 7 und 8 je zur Hälfte verteilt und die beiden Hälften sind gleich­ sinnig in Reihe geschaltet. Sie kann auch beide Kerne umfassen.

Die beiden Erregerwicklungen 4 und 5 sind elektrisch gegeneinander geschaltet und an eine Erregerspannung U_e angeschlossen, die in der dargestellten Anordnung eines zweipoligen Fehlerstromschutzschalters vorzugsweise die Netzspannung mit 50 Hz sein kann. Der Erregerstrom­ kreis enthält ferner einen Impulsformer 14, der in dieser Ausführungsform mit einem Widerstand 15 versehen ist, dem eine Reihenschaltung eines Widerstandes 16 mit einer Diode 17 parallelgeschaltet ist. Unter Umständen, insbesondere bei mehrpoliger Ausführung der Fehler­ stromschutzeinrichtung, kann zur Lieferung der Erreger­ spannung U_e ein Wechselspannungsgenerator 12 zum Er­ zeugen einer beliebigen Wechselspannung vorgesehen sein.

Der Ausgangskreis der Anordnung enthält einen Zwei­ weggleichrichter 20 mit vier Dioden 21 bis 24 in Brückenschaltung. Dem Ausgang 26 der Anordnung, an den beispielsweise ein Haltemagnet eines Leistungsschalters angeschlossen sein kann, ist ein Bedämpfungsglied 30 parallelgeschaltet, das einen Kondensator 31 enthält, mit dem eine Ladediode 32 in Reihe geschaltet ist und dem ein Entladewiderstand 33 parallelgeschaltet ist. Durch das Bedämpfungsglied 30 wird die Anordnung unempfindlich gegen kurzzeitige Fehlereinstreuungen.

Dem Ausgang 26 kann gegebenenfalls eine Freilaufdiode 36 parallelgeschaltet sein.

Die beiden Kerne 7 und 8 des Summenstromwandlers 2 be­ stehen aus Ringkernen, insbesondere Ringbandkernen, mit vorzugsweise rechteckförmiger Hystereseschleife. Sie bestehen vorzugsweise wenigstens zum Teil aus amorphem, ferromagnetischem Werkstoff einer Legierung mit metal­ lischen Eigenschaften, aber ohne Kristallgitter, der deshalb auch allgemein als metallisches Glas bezeichnet wird. Seine Hauptbestandteile können Eisen, Nickel und Kobalt sein mit kristallisationsverzögernden Zusätzen, insbesondere Silicium und Bor, sowie gegebenenfalls Molybdän und Mangan (VITROVAC). Ferner sind auch hoch­ permeable Nickel-Eisen-Legierungen vorzugsweise mit einer Rechteckschleife als Hystereseschleife (Ultra­ perm) geeignet.

Solange kein Fehlerstrom fließt, ist die Summe der Ströme in der Primärwicklung Null. Als Erregerstrom ist ein Hilfswechselstrom der Erregerspannungsquelle 12 vorgesehen, damit man auch Fehlerströme als Gleichströ­ me erfassen kann. Da die beiden Erregerwicklungen 4 und 5 elektrisch gegeneinander geschaltet sind, heben sich ihre Erregerspannungen auf und in der Sekundärwicklung 6 wird keine Spannung induziert, solange kein Fehler­ strom fließt.

Nach Fig. 2, in welcher der Erregerstrom I_e in Ab­ hängigkeit von der Zeit t in einem Diagramm aufgetragen ist, werden nun die Erregerwicklungen 4 und 5 durch den Erregerstrom I_e mit Stromimpulsen I_e1 getaktet, deren Taktfrequenz für die zweipolige Ausführungsform der Anordnung vorzugsweise die Netzfrequenz mit 50 Hz sein kann. In den Pausen zwischen den Stromimpulsen I_e1 erfolgt eine Magnetisierung der Kerne 7 und 8 durch einen Fehlerstrom I_F. Damit man auch für eine geringe magnetische Feldstärke von beispielsweise 0,3 mA/cm bei einem kleinen Fehlerstrom I_F = 2 mA die notwendige Magnetisierung erhält, werden die Erregerwicklungen 7 und 8 in den Pausen von t₂ bis t₃ mit einem Erreger­ strom I_e2 kleiner Amplitude, beispielsweise bei einer Spule mit einer Ampere-Windungs-Zahl von 0,12 gespeist. Dadurch erhält man eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit der Anordnung. Diese Impulsfolge kann in einfacher Weise mit dem Impulsformer 14 herge­ stellt werden, bei dem in den Halbschwingungen in Sperrichtung der Diode 17 der gesamte Widerstand 15 und in den Halbschwingungen in Durchlaßrichtung der Diode 17 die Parallelschaltung der Widerstände 15 und 16 wirksam ist. Zu Beginn der Impulse I_e1 befinden sich die beiden Ringkerne 4 und 5 für das Durchlaufen ihrer Hystereseschleife in einem unterschiedlichen Magneti­ sierungszustand und die in den beiden Teilwicklungen der Sekundärwicklung 6 induzierten Spannungsimpulse erhalten entsprechend unterschiedliche Flanken. Das Differenzsignal reicht für die direkte Auslösung eines an den Ausgang 26 angeschlossenen Schalters, beispiels­ weise die Auslösung eines 63 A-FI-Schalters, aus.

Tritt ein Fehlerstrom I_F auf, so ist die Summe der Ströme in der Primärwicklung 3 nicht mehr Null. Dieser Fehlerstrom I_F wird in seiner Wirkung für einen der beiden Ringkerne 7 und 8 zum Erregerstrom addiert und zugleich für den anderen vom Erregerstrom subtrahiert. Durch diese Differenz erhalten die Magnetkerne 7 und 8 eine entsprechende remanente Induktion, so daß die Stromimpulse I_e1 einen unterschiedlichen Induktionshub erzeugen und über die Sekundärwicklung 6 im Ausgangs­ kreis eine Spannung induzieren, die im Doppelweggleich­ richter 20 gleichgerichtet und über den Ausgang 26 einer Alarm- oder Auslöseeinrichtung zugeführt werden kann.

Damit kurzzeitige Einstreuungen, beispielsweise durch Blitzschlag, nicht zu einer Anzeige führen, werden solche kurzen Stoßstromimpulse durch das Bedämpfungs­ glied 30 ausgesiebt. Durch diese Ausführungsform der Anordnung zum Erfassen von Fehlerströmen erhält man am Ausgang 26 ein Signal, das ohne weitere Verstärkung und ohne weitere elektronische Verarbeitung zur Auslösung eines Leistungsschalters verwendet werden kann.

Ein Nutzsignal am Ausgang 26, das ohne weitere Verstär­ kung zur Betätigung eines empfindlichen elektromechani­ schen Auslösers ausreicht, erhält man beispielsweise bei einem Fehlergleichstrom I_F = 8 mA bei einer Frequenz von 50 Hz des Erregerstromes I_e und einer Magnetisie­ rungsdauer von ca. 10 ms sowie mit einem Fehlergleich­ strom I_F = 50 mA bei einer Frequenz von 150 Hz des Erregerstromes I_e und einer Magnetisierungsdauer von ca. 3,3 ms.

In der Ausführungsform eines Impulsformers 44 nach Fig. 3 ist die Diode 17 durch einen Thyristor 46 er­ setzt, dessen Steuerelektrode eine Diode 47 vorgeschal­ tet ist, die an eine Reihenschaltung eines Kondensators 48 mit einem Widerstand 49 angeschlossen ist. Diese Reihenschaltung ist der Erregerspannungsquelle 12 parallelgeschaltet. Der Impulsformer 44 ist im Erreger­ stromkreis angeordnet. Durch diesen Impulsformer 44 entstehen nach Fig. 4 Impulse I_e3 mit großer Amplitude und steiler Anstiegsflanke, da je nach der Größe des Ladewiderstandes 49 und der Kapazität des Kondensators 48 der Zündzeitpunkt t₁ des Thyristors 46 eingestellt werden kann.

Die Halbschwingungen I_e2 mit kleiner Amplitude dienen dazu, daß sich in dieser Zeit der Magnetisierungszu­ stand der Ringkerne 7 und 8 auf einen Endwert neu ein­ stellen kann.

In den Ausführungsformen nach Fig. 5 folgen auf jeden Impuls I_e1 mit großer Amplitude mehrere Halbschwingun­ gen I_e2 mit kleiner Amplitude, an die sich dann ein weiterer Impuls I_e4 mit großer Amplitude anschließt. Der zeitliche Abstand t₂ bis t₄ zwischen den Stromimpul­ sen I_e1 und I_e4 beträgt vorzugsweise wenigstens zwei Halbschwingungen, insbesondere mehr als zwei Halbschwin­ gungen mit kleiner Amplitude. Durch den folgenden Impuls I_e4 mit großer Amplitude werden die Ringkerne 7 und 8 ummagnetisiert. In der Zeit zwischen t₂ und t₄ mit kleinen Strömen oder Strompausen stellen sich die Elementarmagnete des Magnetwerkstoffes der Ringkerne 7 und 8 durch einen Fehlerstrom wieder neu ein und brauchen dazu eine gewisse Zeit. Der zeitliche Abstand von t₂bis t₄, der mit dem Wechselspannungsgenerator 12 hergestellt wird, kann deshalb insbesondere mehr als 50 ms betragen.

Mit dem Erregerstrom gemäß Fig. 5 erhält man für die in Fig. 1 dargestellte zweipolige Ausführungsform eine Fehlerstromempfindlichkeit von 10 mA für Gleich-, Wechsel- und Pulsfehlerstrom.

In der Ausführungsform eines Summenstromwandlers 52 nach Fig. 6 ist neben den Kernen 7 und 8 noch ein wei­ terer Kern 9 vorgesehen, der auch mit einer weiteren Erregerwicklung 10 versehen ist. Die Primärwicklung 3 ist lediglich durch die Kerne 7 und 8 hindurchgeführt, so daß ein Fehlerstrom lediglich auf die Erreger­ wicklungen 4 und 5 wirkt. Die Sekundärwicklung 6 befin­ det sich jeweils zur Hälfte auf den Kernen 8 und 9.

Durch einen Fehlerstrom wird somit die Magnetisierung lediglich im Kern 8 verändert, während der Kern 9 immer in gleicher Weise durch den Erregerstrom I_e magneti­ siert wird. In dieser Ausführungsform des Summenstrom­ wandlers 52 erhält man eine größere Sicherheit beim Einschalten auf große Fehlerströme.

Claims (6)

1. Anordnung zum Erfassen von Fehlerströmen mit einem Summenstromwandler, dessen Primärwicklungen durch Netz­ leiter gebildet sind und der mindestens zwei Wandlerkerne geringer Koerzitivfeldstärke enthält, deren Sekundär­ wicklungen hintereinandergeschaltet und deren Erreger­ wicklungen gegeneinandergeschaltet sind, und mit Mitteln zum Erzeugen eines Erregerstromes sowie einer Auswerteein­ richtung, dadurch gekennzeichnet daß der Erregerstrom (I_e) aus Impulsfolgen besteht, bei denen auf einen Impuls (I_e1, I_e3, I_e4) mit großer Ampli­ tude, der in den Wandlerkernen (7, 8, 9) wenigstens an­ nähernd die Sättigungsinduktion erzeugt, mindestens eine Halbschwingung (I_e2) mit wesentlich kleinerer Amplitude folgt (Fig. 2).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Erregerstrom (I_e) zwi­ schen den Impulsen (I_e1) mit großer Amplitude Strompausen enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspannung (U_e) aus der Netzspannung abgeleitet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3 für mehrphasige Primär­ wicklungen, dadurch gekennzeich­ net, daß die Frequenz der Erregerspannung (U_e) ein Mehrfaches der Frequenz der Netzspannung beträgt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Summenstromwandler (52) mit drei Kernen (7, 8, 9) vor­ gesehen ist und daß dem ersten und zweiten Kern (7 bzw. 8) eine Primärwicklung (3) und dem zweiten und dritten Kern (8 bzw. 9) eine Sekundärwicklung (6) zugeordnet ist (Fig. 6).

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aus­ werteeinrichtung einen Zweiweggleichrichter (20) und ein Bedämpfungsglied (30) enthält.