DE3543985A1 - Anordnung zum erfassen von fehlerstroemen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erfassen von Fehlerströmen mit einem Summenstromwand­ ler, dessen Primärwicklungen durch Netzleiter gebildet sind und der mindestens zwei Wandlerkerne mit geringer Koerzitivfeldstärke enthält, die mit gegeneinanderge­ schalteten Erregerwicklungen und hintereinandergeschal­ teten Sekundärwicklungen versehen sind.

Bei der Installation von elektrischen Anlagen wird ge­ fordert, daß Ströme, die von einem Verbraucher zur Erde abfließen, einen vorbestimmten Grenzwert nicht über­ schreiten dürfen, da sonst Menschen oder Tiere ge­ fährdet werden können. Diese Schwelle liegt im Bereich von einigen mA.

Zur Anzeige von Fehlerwechselströmen können die Primär­ leiter durch einen Summenstromwandler hindurchgeführt werden, dessen Sekundärwicklung in einem Anzeige- oder Auslösestromkreis angeordnet ist. Solange kein Fehler­ strom fließt, ist die Summe der Primärströme Null. Im Kern des Wandlers wird kein magnetischer Fluß erzeugt und an der Sekundärwicklung somit auch keine Spannung induziert. Tritt ein Fehlerstrom auf, so wird die Summe der Ströme ungleich Null und im Ausgangskreis des Wand­ lers fließt ein Strom, mit dem ein Auslöser für einen Schutzschalter betätigt werden kann. In dieser Anord­ nung arbeitet der Summenstromwandler als Transformator und die Anordnung ist geeignet für Fehlerwechselströme.

Eine bekannte Anordnung, die zum Erfassen von Fehler­ strömen beliebiger Stromart geeignet ist, enthält einen Summenstromwandler mit zwei Kernen, die jeweils mit zwei Vormagnetisierungswicklungen und einer Sekundär­ wicklung versehen sind. Die Vormagnetisierung enthält eine Wechsel- und eine Gleichstromkomponente, so daß im fehlerfreien Zustand die Vormagnetisierung nur zwischen einem Sättigungswert und einem Wert pendelt, der unter­ halb der Remanenz-Induktion liegt. Die erzeugte Vormag­ netisierung in einem Kern ist gleichsinnig und die im anderen Kern gegensinnig zu den jeweiligen Primär­ wicklungen gerichtet. Die Kerne bestehen aus einem Material mit einer sogenannten Z-Schleife. Beim Auf­ treten des Fehlerstromes wird der steilste Teil der Hystereseschleife zur Erzeugung eines Signals ausge­ nutzt. Hierbei wird durch die gleichzeitige Wirkung von Fehlerstrom und Vormagnetisierungsstrom der steilste Teil der Hystereseschleife teilweise oder ganz durch­ laufen, was zu einer entsprechenden Änderung des Mag­ netflusses im Summenstromwandler führt und ein ent­ sprechendes Spannungssignal in der Meß- oder Sekundär­ wicklung erzeugt. Eine derartige Anordnung erfordert jedoch eine Justierung der Vormagnetisierung, um den steilsten Teil der Hystereseschleife ausnutzen zu können (DE-AS 25 55 255).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese Einrichtung zu vereinfachen und zu verbessern, insbe­ sondere soll der Aufwand für die Verarbeitung der ge­ lieferten Auslöseimpulse vermindert werden und die Einrichtung soll auf geringe Fehlerströme ansprechen. Ferner soll eine spannungsabhängige und eine span­ nungsunabhängige Arbeitsweise möglich sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruchs 1. Mit der angegebenen Beschaltung des Erregerstromkreises in Verbindung mit mehreren Primärwindungen erhält man einen Fehlerstrom­ schutzschalter, der empfindlich ist sowohl für Wechsel­ fehlerstrom als auch für pulsierenden Gleichfehler­ strom, und dessen Empfindlichkeit für diese Fehler­ stromformen gleich bleibt sowohl mit als auch ohne Versorgungsspannung des Erregerstromkreises und ohne Lücke in der Schutzwirkung, und der mit Versorgungs­ spannung allstromsensitiv ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist für den Erregerstromkreis eine spannungsstabilisierte Erregerspannungsquelle vorgesehen. Ein RC-Glied aus der Parallelschaltung eines Widerstandes mit einer Kapazi­ tät, die in Reihe mit den Erregerwicklungen angeordnet ist, kann vorzugsweise als Phasenschieber und zugleich als Stromformer vorgesehen sein.

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 den Fig. 2 bis 4 sind verschiedene Stromformen des Erregerstromes jeweils in einem Diagramm veranschau­ licht. Der Einfluß eines Fehlergleichstromes auf das Spannungssignal im Sekundärkreis wird anhand verschie­ dener Diagramme gemäß den Fig. 5 bis 11 erläutert.

In der Ausführungsform der Anordnung zum Erfassen von Fehlerströmen gemäß Fig. 1 ist ein Summenstromwandler 2 mit zwei Kernen 3 und 4 vorgesehen, durch die zwei Primärleiter L und N mit jeweils mehreren Windungen, beispielsweise jeweils drei Windungen, hindurchgeführt sind. Die Kerne 3 und 4 sind ferner mit jeweils einer Erregerwicklung 5 bzw. 6 und jeweils mit einer Sekun­ därwicklung 7 bzw. 8 versehen. Die Sekundärwicklungen 7 und 8 sind gleichsinnig in Reihe geschaltet. Die bei­ den Erregerwicklungen 5 und 6 sind gegensinnig in Reihe geschaltet, so daß die von der Erregerwicklung 5 erzeugte Vormagnetisierung zu der Magnetisierung der Primärwindungen beispielsweise gleichsinnig und die von der Erregerwicklung 6 erzeugte Vormagnetisierung zu den Primärwindungen gegensinnig verläuft. Die Primärleiter L und N sind durch einen Netzschalter 9 vom Netz ab­ trennbar.

Die Kerne 3 und 4 können auch mit einer gemeinsamen Sekundärwicklung versehen sein. Den Erregerwicklungen 5 und 6 ist eine Erregerspannung U _e zugeordnet, die in der dargestellten Anordnung eines zweipoligen Fehler­ stromschutzschalters vorzugsweise die Netzspannung mit 50 Hz sein kann und den Erregerwicklungen 5 und 6 als Erregerspannung eine reine Wechselspannung liefert. Der Erregerstromkreis 10 enthält als Phasenschieber und Stromformer ein RC-Glied 12 mit einem Widerstand 13 und einer Kapazität 14. Das RC-Glied 12 ist mit den Erre­ gerwicklungen 5 und 6 in Reihe geschaltet.

Parallel zur Erregerspannung U _e ist ein Spannungsstabi­ lisator 15 angeordnet, der ein RC-Glied mit einem Widerstand 16 und einer Kapazität 17 sowie zwei gegen­ einandergeschaltete Zenerdioden 18 und 19 enthält. Das RC-Glied und die Zenerdioden bilden einen Spannungs­ teiler, an den die Erregerwicklung 6 mittelbar über das RC-Glied 12 angeschlossen ist.

Der Ausgangskreis enthält ein RC-Glied mit einem Wider­ stand 20 und einer Kapazität 22 und einen Doppelweg­ gleichrichter 24. Das gleichgerichtete Spannungssignal wird mit einem Spannungsbegrenzungselement, das eine Diode 26 sein kann, begrenzt und über einen Widerstand 28 an den Ausgang A der Anordnung angeschlossen. An den Ausgang A der Anordnung ist ein Auslöserelement ange­ schlossen, das vorzugsweise ein Haltemagnet 32 für das Schaltschloß des Netzschalters 9 sein kann.

An den Ausgang A kann ferner ein unempfindlicher elektromechanischer Auslöser angeschlossen sein, dem ein elektronischer Verstärker zugeordnet ist.

Im Ausgangskreis ist ferner eine Entstörschaltung 30 vorgesehen, die durch eine nicht näher bezeichnete Spannungsversorgung gespeist wird. Sie ist eingangs­ seitig an die Sekundärwicklung 7, 8 angeschlossen und wird durch ausreichend hohe Spannungssignale der Sekun­ därwicklung betätigt. Durch diese Entstörschaltung 30 wird im Falle kurzzeitiger Fehlereinstreuung der Aus­ löser blockiert. Es wird somit die Anordnung unempfind­ lich gegen solche kurzzeitigen Fehlereinstreuungen.

Die beiden Kerne 3 und 4 des Summenstromwandlers 2 be­ stehen aus Ringkernen, vorzugsweise Ringbandkernen. Die Kerne bestehen vorzugsweise zum Teil aus amorphem, ferromagnetischem Werkstoff einer Legierung mit metal­ lischen Eigenschaften, aber ohne Kristallgitter, der deshalb auch allgemein als metallisches Glas bezeich­ net wird. Seine Hauptbestandteile können Eisen, Nickel und Kobalt sein mit kristallisationsverzögernden Zu­ sätzen, insbesondere Silicium und Bor, sowie gegebenen­ falls Molybdän und Mangan (VITROVAC). Ferner sind auch hochpermeable Nickel-Eisen-Legierungen mit kleiner Koerzitivfeldstärke geeignet (Ultraperm).

Solange kein Fehlerstrom fließt, ist die Summe der Ströme in der Primärwicklung Null. Die Erregerspan­ nung U _e treibt als Erregerstrom einen symmetrischen Wechselstrom durch die Erregerwicklungen 5 und 6. Da die beiden Erregerwicklungen 5 und 6 elektrisch gegeneinandergeschaltet sind, haben die magnetischen Flüsse in den Kernen 3 und 4, solange kein Fehlerstrom fließt, gleiche Größe, aber entgegengesetztes Vor­ zeichen, und im Sekundärkreis wird keine Spannung induziert.

In einer besonders einfachen Ausführungsform der Anord­ nung kann die Erregerspannung U _e einen Erregerstrom I _{e 1} liefern, der ein wenigstens annähernd reiner Wechsel­ strom sein kann, wie es im Diagramm gemäß Fig. 2 veran­ schaulicht ist, in dem der Erregerstrom I _e über der Zeit t aufgetragen ist. Ferner ist ein trapezförmiger Erregerstrom I _{e 2} geeignet, der im Diagramm gemäß Fig. 3 dargestellt ist. Der Erregerstrom kann außerdem bei­ spielsweise auch aus Impulsen I _{e 3} wechselnder Richtung bestehen.

Fließt in den Erregerwicklungen 5 und 6 ein sinusför­ miger Erregerstrom I _{e 1} gemäß dem Diagramm der Fig. 2, so wird jeweils in der Nähe der Stromnulldurchgänge des Erregerstromes I _e in den Sekundärwicklungen 7 und 8 ein Spannungsimpuls erzeugt. Diese Spannungsimpulse haben eine Form gemäß dem Diagramm der Fig. 5, in dem die Sekundärspannung U _s in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist. Da die Spannungsimpulse U ₅ jeweils in den Nulldurchgängen des Erregerstromes I _e gemäß Fig. 2 entstehen, haben sie alle den gleichen Abstand. Tritt nun gemäß dem Diagramm der Fig. 6, in dem der Erre­ gerstrom I _{e 5} in der Erregerwicklung 5 über der Zeit t aufgetragen ist, ein im wesentlichen glatter Gleich­ fehlerstrom I _{F 1} auf, so bewirkt dieser eine Verschie­ bung der Nullinie, wie es im Diagramm strichpunktiert angedeutet ist. Damit ändern sich die zeitlichen Abstände der Spannungsimpulse, die in der Sekundär­ wicklung 7 gebildet werden, wie es im Diagramm gemäß Fig. 7 dargestellt ist, in dem die Sekundärspannung U _{S 7} in der Sekundärwicklung 7 über der Zeit t aufgetra­ gen ist. Der Abstand zwischen dem Impuls U _{S 71} und dem Impuls U _{S 72} ist geringer als der Abstand zwischen diesem Impuls U _{S 72} und dem folgenden Impuls U _{S 73}.

Der Erregerstrom I _{e 6} in der Erregerwicklung 6 ist dem Erregerstrom I _{e 5} entgegengerichtet. Man erhält somit durch den Fehlerstrom I _{F 1} gemäß dem Diagramm der Fig. 8, in dem der Erregerstrom I _{e 6} in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist, eine Verschiebung der Null­ durchgänge in entgegengesetzter Richtung und es werden somit in der Sekundärwicklung 8 Spannungsimpulse U _{S 8} zu entsprechend abweichenden Zeiten gebildet, wie dem Diagramm der Fig. 9 zu entnehmen ist, in dem die Span­ nung U _{S 8} in der Sekundärwicklung 8 über der Zeit t auf­ getragen ist. In der Sekundärwicklung 8 ist der Abstand des Impulses U _{S 81} vom Impuls U _{S 82} größer als der Ab­ stand zum folgenden Impuls U _{S 83}.

Der Fehlerstrom I _{F 1} verursacht somit eine Verschiebung der Spannungsimpulse in den Sekundärwicklungen gegen­ einander, so daß für die eine Vormagnetisierungsrichtung der zeitliche Abstand der Spannungsimpulse verkürzt und für die andere entsprechend verlängert wird. Damit er­ hält man nach der Gleichrichtung am Ausgang A Ausgangs­ impulse U _A , mit denen eine Auslöseeinrichtung eines Leistungsschalters betätigt werden kann.

Die Ausgangsimpulse U _A sind in den Diagrammen gemäß den Fig. 10 und 11 veranschaulicht. Gemaß Fig. 10 sind die Stromimpulse U ₁₀ bei fehlendem Fehlerstrom I _F an­ nähernd Null. Dagegen werden gemäß Fig. 11 starke Spannungssignale U ₁₁ erzeugt, sobald ein Fehlerstrom I _F ausreichender Größe auftritt.

Claims (7)

1. Anordnung zum Erfassen von Fehlerströmen mit einem Summenstromwandler, dessen Primärwicklungen durch Netz­ leiter gebildet sind und der mindestens zwei Wandlerkerne mit geringer Koerzitivfeldstärke enthält, die mit gegeneinandergeschalteten Erregerwicklungen und hintereinandergeschalteten Sekundärwicklungen versehen sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einer Anordnung mit minde­ stens einer Primärwindung (L ₁, N ₁) eine Wechselstrom- Vormagnetisierung vorgesehen ist und daß der Erreger­ stromkreis (10) Mittel zur Phasenverschiebung und Stromformung enthält.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Primär­ windungen (L ₁, N ₁) vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang (A) eine elektromechanische Auslöseeinrichtung mit einem Haltemagneten (32) angeschlossen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erregerspannung (U _e) ein Spannungsstabilisator (15) vorgesehen ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Erregerspannung (U _e) ein Vielfaches der Netzfrequenz beträgt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstromkreis (10) zur Phasenverschiebung und Stromformung eine Parallelschaltung aus einem Wider­ stand (13) und einer Kapazität (14) enthält.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entstörschaltung (30) zur Verhinderung der Fehl­ auslösung durch Stoßstrom und/oder durch kapazitive Ströme vorgesehen ist, welche an die Sekundärwicklung (7, 8) angeschlossen ist und deren Ausgang einem Aus­ löser für einen Netzschalter (9) parallel geschaltet ist.