DE3633787C2 - Fehlerstromschutzschaltung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutz­ schaltung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Fehlerstromschutzschaltungen haben allgemein einen Solenoid­ schalter zum Abschalten einer Last von einer elektrischen Ver­ sorgung im Falle eines Fehlers, d. h. falls ein Erdleckzustand erfaßt wird. Der Vorteil eines Solenoidschalters besteht da­ rin, daß dieser eine vollständige elektrische Isolierung der Last von der Spannungsversorgung aufgrund eines geöffneten Spaltes zwischen den Schaltkontakten gewährleistet, wodurch eine erhöhte Sicherheit erreicht wird. Typischerweise ist die kürzeste Zeit, die für das Öffnen der mechanisch betätigten Schaltkontakte benötigt wird, in der Größenordnung von 0,04 Sekunden. Obwohl diese Betätigungszeit kurz ist, kann während dieser Zeit eine erhebliche Menge an elektrischer Energie fließen. In Abhängigkeit von der Größe des fließenden Stromes wird die Gefährdung der betreffenden Person durch Kontraktion der Muskeln bestimmt durch die Zeit, die benötigt wird, um die Leistung abzukoppeln. In dem Fall, in dem der Phasenleiter direkt gegen Masse kurzgeschlossen wird, kann ein ausreichend hoher Strom fließen, der eine Sicherung für 13 Ampere durch­ brennen läßt, bevor die Schaltkontakte geöffnet werden.

Eine Fehlerstromschutzschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der älteren Anmeldung EP 01 57 054 A1 bekannt. Diese Fehlerstromschutzschaltung besitzt ein Auslöse­ solenoid, das zum Öffnen von Schaltkontakten erregt wird, um bei Auftreten eines Fehlers den Stromfluß zur Last zu unter­ brechen. Bei einer ähnlichen Fehlerstromschutzschaltung gemäß US 36 21 334 wird ein Solenoid zur Betätigung eines mit der Last in Serie geschalteten Stromkreisunterbrechers verwendet, wobei zwei alternative Anordnungen für die Erzielung ausrei­ chender Erregungsenergie für das Solenoid beschrieben sind. In jedem dieser Fälle begrenzt die Verwendung eines Auslöse­ solenoids die Geschwindigkeit, mit welcher der Stromfluß unter­ brochen werden kann.

Weiterhin ist aus US 33 12 862 eine Fehlerstromschutzschaltung bekannt, bei welcher der Stromfluß durch einen Halbleiterschal­ ter im Hauptstromweg, der von einem Summenstromwandler ange­ steuert wird, ohne Verwendung mechanischer Schaltkontakte unterbrochen wird. Die alleinige Verwendung von Halbleiterschaltern in Fehlerstromschutzschaltungen ist ungünstig und unerwünscht, weil solche Halbleiterschalter bei sehr hohen Spannungssprüngen in der Stromzufuhr zum Leiten veranlaßt werden können, wo­ durch vorübergehend der Stromfluß zur Last wiederhergestellt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnell und sicher abschaltende Fehlerstromschutzschaltung zu schaffen.

Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 8 hervor.

Erfindungsgemäß ist ein Festkörperschaltgerät, das einen eben­ falls an die Erfassungseinrichtung angeschlossenen Steuerein­ gang aufweist, in Serie mit den Kontakten des mechanischen Schaltgeräts verbunden und unterbricht den elektrischen Strom­ fluß zur Last in kürzerer Zeit als diejenige Zeit, die das Solenoid zum Öffnen der Schaltkontakte benötigt, wenn die vor­ bestimmte Differenz der Ströme erfaßt wird.

Das Festkörperschaltgerät kann einen Thyristor ent­ halten und ist vorzugsweise ein Triac. Wenn die Wech­ selstromversorgung eine Netzfrequenz von 50 Herz hat, kann der Triac den Strom innerhalb von 0,01 Sekun­ den abschalten, d. h. in nicht mehr als einem halben Zy­ klus der Stromversorgung. Diese Zeit liegt erheblich unterhalb des Minimums von 0,04 Sekunden, die mecha­ nische Schaltkontakte zum Öffnen benötigen.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beilie­ gende Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform ge­ mäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Schaltungsdiagramm der erfindungsgemäßen Reststromunterbrechungsschal­ tung.

Die Fehlerstromschutzschaltung hat einen Fühler bzw. ein Fühlergerät mit einem magnetischen Kern 1 in der Form eines Toroides, der lediglich von einem einzigen schmalen Luftspalt unterbrochen ist. In dem Luftspalt liegt ein integriertes Sehaltungselement 2, das nach dem linearen Hall-Effekt arbeitet, vorzugswei­ se mit einer Gleitpassung oder mit einem schmalen Ab­ stand zwischen den einander gegenüberliegenden Pol­ teilen des Kernes. Das Element 2 hat eine derartige Größe, daß im wesentlichen der gesamte magnetische Fluß zwischen den Polstücken durch das Element ge­ richtet wird. Zwei Leiterspulen 3, 4 sind mit einer glei­ chen Anzahl von Wicklungen an entgegengesetzten Sei­ ten des Kernes aufgebracht, wobei die Leitern derart angeschlossen sind, daß die von ihnen geführten Ströme entgegengesetzt gerichtete magnetische Flüsse durch die geschlossene magnetische Schaltung induzieren, die durch den Kern 1 festgelegt wird und durch das Hall- Element 2 unterbrochen wird. Wenn daher die in den jeweiligen Leitern fließenden Ströme einander gleich sind, liegt kein resultierender Fluß in dem magnetischen Kreis vor, so daß durch das Hall-Element 2 kein Aus­ gangssignal erzeugt wird. Wenn die von den Leiterspu­ len geführten Ströme voneinander abweichen, wird ein magnetischer Fluß in den Kern 1 induziert, dessen In­ tensität von der Differenz zwischen den elektrischen Strömen abhängt, woraufhin das Hall-Element 2 aus­ gangsseitig ein Signal erzeugt, das proportional zu dem sich ergebenden magnetischen Fluß ist. Um die Kompo­ nenten in dem Fühlergerät in der richtigen Lage zuein­ ander zu halten, können diese in einem geeigneten Um­ kappselungsmaterial eingebettet sein. Aus Gründen der magnetischen Abschirmung kann dieses mit einer Schicht aus Eisenmaterial umgeben sein.

Das Fühlergerät ist elektrisch mit einer Fehlerstrom­ schutzschaltung verbunden, die die Zuführung von elektrischer Leistung zu einer Last oder einem Ver­ braucher 10 (in gestrichelten Linien darstellt) von einer Leistungsquelle steuert, die beispielsweise durch das Wechselstromnetz gebildet sein kann. Die Unterbre­ chungsschaltung hat ein Schaltgerät, das durch ein Aus­ lösesolenoid 11 und einen Doppelpolschalter gebildet wird, der zwei Kontaktsätze RC1 und RC2 aufweist, durch die die Leiter 3, 4 jeweils an die Klemmenan­ schlusse 12, 13 angeschlossen sind, um die Phasenseite und die neutrale Seite mit der Leistungsversorgung zu verbinden. Der Schalter ist von Hand betätigbar, um die Kontakte RC1, RC2 zu öffnen und zu schließen. Das Solenoid ist an geordnet, um die Schaltkontakte aus dem geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand bei Erregen des Solenoides auszulösen. Die Last 10 liegt zwischen den Ausgangs-Klemmenanschlüssen 14, 15 an den anderen Enden der Leiter 3, 4. Die Ausgangsklem­ me des Hall-Effekt-Elementes 2 ist mit der Eingangs­ klemme eines Signalprozessors 16 verbunden, der nach­ folgend näher erläutert wird.

Um eine Gleichstromversorgung für das Hall-Effekt Element und den Signalprozessor 16 zu schaffen, sind ein Widerstand 17 und eine Gleichrichterbrücke 18 in Reihe über die Leistungseingangsklemmen 12, 13 durch die Leitungen 19, 20 angeschlossen. Die Ausgangsspan­ nung der Brücke 18 wird einem Paar von Gleichstrom­ leitungen 21, 22 zugeführt und beispielsweise bei 5 Volt Spannung mittels einer Zener Diode 23 und eines Kon­ densators 24, die parallel zwischen den Leitungen 21, 22 liegen, stabilisiert. Die stabilisierte Gleichstromspan­ nung wird dem Hall-Effekt-Element 2 zugeführt und dem Signalprozessor (über eine nicht gezeigte Verbin­ dung) durch die Leitungen 21, 22 zugeführt.

Der Signalprozessor hat eine Wechselspannungskop­ pelung 25, einen Wechselstromverstärker 26, einen Prä­ zisionsgleichrichter 28, einen Vergleicher 29 und einen optischen Isolator 30, wobei diese Teile in dieser Rei­ henfolge angeschlossen sind. Die Wechselspannungs­ koppelung 25 ist vorzugsweise ein einfacher Kondensa­ tor und filtert Gleichstromkomponenten aus dem Signal aus, das durch das Hall-Effekt-Element 2 erzeugt wird, bevor das Signal zur Eingangsseite des Wechselstrom­ verstärkers 26 zugeführt wird. Das verstärkte Signal von dem Ausgangsverstärker 26 wird zu dem Eingang des Präzisionsgleichrichters 28 zugeführt, der dieses in ein Gleichspannungssignal umformt. Daher ist das vom Ausgang des Gleichrichters ausgesandte Signal propor­ tional zum Wechselspannungssignal des Hall-Elementes 2, und somit zu dem Fluß in dem magnetischen Kern 1 und dadurch proportional zur Differenz der elektri­ schen Ströme, die in den beiden Leitern, 3, 4 fließen. Der Vergleicher 29 vergleicht das Ausgangssignal des Gleichrichters mit einer Bezugsspannung, die vorzugs­ weise mittels eines Spannungsteilers erhalten wird, der über die beiden Gleichspannungsleitungen 21, 22 ge­ schaltet ist. Der Gleichspannungsteiler hat die Form ei­ nes Potentiometers 31, dessen Schleifkontakt an den Vergleicher angeschlossen ist. Anstelle des Potentiome­ ters können jedoch auch zwei Widerstände verwendet werden. Die Referenzspannung wird auf ein derartiges Spannungsniveau eingestellt, das in der Größenordnung von 3 Volt liegt, daß es normalerweise größer ist als das Signal, das vom Gleichrichter 28 geliefert wird, wobei jedoch das letztgenannte Signal die Bezugsspannung übersteigt, wenn eine vorbestimmte Ungleichgewichtig­ keit zwischen den Strömen in den Leitern 3, 4 auftritt. Der Vergleicher vergleicht die beiden Eingangssignale, die ihm zugeführt werden, und erzeugt lediglich dann ein Ausgangssignal, wenn das Signal vom Gleichrichter 28 größer als die Bezugsspannung ist. Das Ausgangssi­ gnal von dem Vergleicher 29 wird zum Eingang eines Diskriminatorgerätes oder Unterscheidungsgerätes 33 zugeführt.

Der Diskriminator 33 hat zwei Ausgänge 34, 35, von denen der erste über einen Widerstand 50 an den Steuereingang eines Triac 51 angeschlossen ist, welches in Reihe zur Erregerspule des Auslöse-Solenoids 11 quer zu den beiden Hauptstromleitern 3, 4 geschaltet ist. Der zweite Ausgang des Diskriminators 33 wird über einen Widerstand 53 zum Steuereingang eines Triac 54 zugeführt, der direkt in dem Phasenleiter 3 liegt.

Die Signale der beiden Ausgange des Diskriminators 33 sind gegeneinander um 180° phasenverschoben. Mit anderen Worten liegt kein Signal am ersten Ausgang 34, wenn ein Signal vom zweiten Ausgang 35 abgegeben wird, und umgekehrt. Während normalen Betriebsbe­ dingungen, d. h. wenn der gleiche Strom in den Leitern 3 und 4 fließt, liegt kein Signal vom Komparator 29 vor, so daß der Diskriminator 33 ein Signal an den zweiten Ausgang 35 erzeugt, so daß das Triac 54 in seinem lei­ tenden Zustand für den Hauptstrom, der zur Last 10 zugeführt wird, bleibt. Es ist kein Signal an dem ersten Ausgang 34, so daß das Triac 51 nichtleitend ist und daß das Solenoid 11 nicht erregt bleibt. In diesem normalen Zustand des Solenoides 11 können die Kontaktsätze RC1, RC2 zum Verbinden der Last mit der Leistungs­ versorgung geschlossen werden. Das Triac 51 ist betä­ tigbar, um das Solenoid zum Öffnen der Kontaktsätze RC1, RC2 zu erregen, und um dadurch die Last 10 von der Leistungsversorgung abzuschalten.

In Reaktion auf eine Fehlerbedingung oder einen Fehlerzustand, d. h. in Reaktion auf eine Differenz der Strompegel von 10 mA in den Leitern 3, 4 steigt das Signal von dem Hall-Element 2 auf einen derartigen Pegel an, daß das Spannungssignal vom Gleichrichter 28 die Bezugsspannung übersteigt, woraufhin ein Aus­ gangssignal durch den Vergleicher 29 erzeugt wird. Demgemäß wird das zweite Ausgangssignal 35 des Dis­ kriminators 33 abgeschaltet und gleichzeitig ein Signal am ersten Ausgang 34 erzeugt. Das Triac 54 spricht hierauf an, indem es nichtleitend wird, um den Fluß des Netzstromes zu der Last 10 zu unterbrechen. Diese Un­ terbrechung tritt innerhalb eines halben Zyklus der Ver­ sorgungswechselspannung auf, d. h. innerhalb von 0,01 Sekunden bei einer 50 Herz-Netzfrequenz. Daher wird der Strom, der zu der Last 10 fließt, abgeschaltet, bevor die Kontaktsätze RC1, RC2, die durch das Solenoid 11 aufgrund der Trägerung des Triac 51 betätigt werden, geöffnet sind, um die Verbindung zwischen der Last 10 und der Netzversorgung zu unterbrechen, wobei minde­ stens 0,04 Sekunden für das Öffnen der Schaltkontakte benötigt werden.

Wenn die Kontakte RC1, RC2 geöffnet worden sind, kehren die Ausgänge des Diskriminators 33 in den Nor­ malzustand zurück wobei unter der Voraussetzung, daß der für den Erdleckstrom verantwortliche Fehler beho­ ben worden ist, der Doppelpolschalter von Hand rück­ gesetzt worden ist, um die Kontakte zu schließen und um erneut die elektrischen Strompfade zwischen der Last und der Leistungsversorgung herzustellen.

Die schnellere Stromunterbrechung durch Einbezie­ hung des Triac 54 hat folgende Vorteile:

• a) es tritt ein erheblich geringerer Schock für das Nervensystem der Person auf, die dem Erdleckstrom ausgesetzt ist, da eine verkürzte Isolationszeit erreicht wird;
• b) eine erheblich geringere elektrische Leistung fließt vor der Unterbrechung, wobei insbesondere dann, wenn der Phasenleiter direkt gegen Masse kurzgeschlossen wird, die Leistung niedrig genug bleibt, damit eine 13-Ampere-Sicherung nicht durchbrennt;
• c) eine Fehlerstromschutzschaltung, die dazu geeignet ist, auf einen Erdleckstrom von beispielsweise 10 mA anzusprechen, unterbricht die Leistungsversor­ gung, bevor eine weitere Fehlerstromschutzschaltung vor oder hinter der vorliegenden Schaltung, die beispiels­ weise auf einen höheren Leckstrom von 20 mA an­ spricht, betätigt wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnah­ me auf ein Triac erläutert worden ist, das eine schnelle Stromunterbrechung gewährleistet, versteht es sich für den Fachmann, daß andere Thyristorgeräte verwendbar sind, wie beispielsweise zwei gegensinnig geschaltete SCR′s (Silizium-gesteuerte Gleichrichter).

Die Wechselstromkopplung 25, die am Eingang des Signalprozessors vorgesehen ist, arbeitet als Sicher­ heitsgerät, um ein Außerkraftsetzen der Schaltungsun­ terbrechung durch Anordnen eines Permanentmagne­ ten in der Nähe des Sensors oder Fühlers unmöglich zu machen.

Zum Überprüfen der Fehlerstromschutzschaltung kann eine Hilfslast 36 in Reihe mit dem Druckknopfschalter 38 zwischen die Leitern 3, 4 eingeschaltet werden, um den spulenartigen Teil eines Leiters 3 zu überbrücken. Nach dem Drücken des Knopfes zum Schließen des Schalters 38 entstehen verschiedene Strompegel in den Spulenabschnitten der Leitern 3, 4, so daß bei ordnungs­ gemäßer Funktion der Unterbrechungsschaltung das Solenoid 11 erregt wird, um die Kontakte RC1, RC2 zu schließen. Nach dem Loslassen des Knopfes zum erneu­ ten Schließen des Schalters 38 kann der doppelte Pol­ schalter von Hand betätigt werden, um die Kontakte RC1, RC2 zu schließen und um damit das Testverfahren zu vervollständigen.

Claims (8)

1. Fehlerstromschutzschaltung mit einem Leiterpaar zum An­ schließen einer Last an eine elektrische Leistungsversorgung, einer Einrichtung zum Erfassen, ob der Stromfluß in den Leitern sich um eine vorbestimmte Differenz unterscheidet, einem mecha­ nischen Schaltgerät mit Kontakten, die gegeneinander geöffnet werden können, um den Stromfluß zur Last zu unterbrechen, und einer Einrichtung, an deren Steuereingang die Erfassungseinrich­ tung angeschlossen ist, um ein Solenoid zum Öffnen der Schalt­ kontakte zu erregen, wenn die vorbestimmte Differenz der Ströme erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Festkörperschaltge­ rät (54), das einen ebenfalls an die Erfassungseinrichtung (1, 2, 16) angeschlossenen Steuereingang aufweist, in Serie mit den Kontakten des mechanischen Schaltgeräts verbunden ist und den elektrischen Stromfluß zur Last (10) in kürzerer Zeit unter­ bricht als diejenige Zeit, die das Solenoid (11) zum Öffnen der Schaltkontakte (RC1, RC2) benötigt, wenn die vorbestimmte Diffe­ renz der Ströme erfaßt wird.

2. Fehlerstromschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Festkörperschaltgerät ein Triac (54) aufweist.

3. Fehlerstromschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch ein weiteres Festkörperschaltgerät (51), welches in Reihe zum Solenoid (11) zwischen den beiden Leitern geschal­ tet ist.

4. Fehlerstromschutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das weitere Festkörperschaltgerät (51) als Triac aus­ geführt ist.

5. Fehlerstromschutzschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (1, 2, 16) zwei Ausgänge (34, 35) aufweist, die jeweils mit Steuereingängen der beiden Festkörperschaltgeräte (51, 54) verbunden sind.

6. Fehlerstromschutzschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch ein Sensorgerät zum Erzeugen eines Signals, das von der Differenz der Ströme, die in den Leitern fließen, abhängt, eine Signalprozessoreinrichtung (16) mit einer Einrichtung (26, 28) zum Erzeugen eines Spannungssignals, das proportional zu dem Signal von dem Sensorgerät ist, und eine Einrichtung (29) zum Vergleichen des Spannungssignals mit einem konstanten Bezugssignal und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn das Spannungssignal das konstante Signal übersteigt.

7. Fehlerstromschutzschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sensorgerät ein Kernteil (1) aufweist, das ei­ nen im wesentlichen geschlossenen magnetischen Kreis mit einem Luftspalt festlegt, und ein Hall-Effekt-Element (2) aufweist, das in dem Luftspalt liegt, wobei die beiden Leiter (3, 4) spu­ lenförmige Abschnitte aufweisen, die um das Kernteil gewickelt sind.

8. Fehlerstromschutzschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Wechselstromkopplung (25) vorgesehen ist, um Gleichstromkomponenten im Ausgangssignal des Hall-Effekt-Ele­ ments (2) zu entfernen.