DE3723568A1 - Differenzstromschutzschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzstromschutzschal­ ter nach dem Prinzip einer Transduktorschaltung mit einem Sum­ menstromwandler, dessen Sekundärwicklung mit einem komplexen Meßwiderstand und einem Rechteckgenerator in Reihe geschaltet ist. Der Sekundärkreis kann beispielsweise eine elektronische Auswertung enthalten, deren Ausgang mit dem Auslöser eines Schalters verbunden ist.

Transduktorschaltungen mit einem Summenstromwandler, der als steuerbare Drossel wirkt, sind bekannt (Hartel/Dietz: Trans­ duktorschaltungen, Springer-Verlag 1966, Seiten 62 ff.). Dabei wird die Sekundärseite einer Transduktorschaltung durch eine angelegte, hochfrequente Wechselspannung bis nahe an die Sätti­ gungsgrenze wechselmagnetisiert.

In Serienschaltung mit der Sekundärwicklung ist ein Meßwider­ stand angeordnet, an dem Signale für eine elektronische Aus­ wertung abgegriffen werden können. Wenn im Falle eines Fehler­ stromes durch die Primärwicklung ein Summenstrom fließt, so überlagern sich seine magnetische Spannung und die des Wechsel­ magnetisierungsstromes im Summenstromwandler, was zu periodisch erhöhten Amperewindungszahlen führt. Dadurch wird die Sätti­ gungsgrenze überschritten und der induktive Widerstand der Se­ kundärwicklung wird kleiner. Als Folge davon wird die Span­ nungsamplitude am Meßwiderstand größer. In der Auswertung wird die Spannung am Meßwiderstand mit einer einstellbaren Schwell­ spannung verglichen und beim Überschreiten dieser Schwellspan­ nung der Auslöser eines Schalters aktiviert, der dann die zu überwachende Leitung unterbricht.

Differenzstromschutzschalter benötigen eine in der Sekundär­ wicklung induzierte Spannung, die so groß ist, daß die Span­ nungsamplitude am Meßwiderstand deutlich erhöht und somit der Schalter sicher ausgelöst wird. Deshalb muß durch den Summen­ strom in den Primärwicklungen ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt werden, das bei vorgegebener Stromstärke eine bestimmte Windungszahl der Primärwicklungen erforderlich macht. Mit einem komplexen, überwiegend kapazitiven Meßwiderstand im Sekundär­ kreis des Summenstromwandlers benötigt man nur jeweils eine einzige Windung der Primärwindungen (E-OS 01 67 097).

Die Auswertung kann vorzugsweise eine erste Stufe aus einem Gleichrichter und einem Integrierglied und eine nachgeschaltete zweite Stufe aus einem Schwellwertschalter enthalten, zwischen denen der gegen Bezugspotential schaltbare Koppelschalter als Sensor und Sperre angeschlossen ist. Der Koppelschalter wird von einem Potential gesteuert, das zwischen dem Rechteckgenera­ tor und den Meßkomponenten des Sekundärkreises abgegriffen wird. Er enthält eine Zeitschaltung, eine galvanische Trennung und eine Blockierung für die Auswertung, welcher die Spannung am Meßwiderstand als Eingangssignal vorgegeben ist.

Bei empfindlichen Differenzstromschutzschaltern tritt das Pro­ blem auf, daß sie auch bei vorübergehenden Stoßströmen bzw. Stoßspannungen, die beispielsweise durch Blitzschlag oder beim Schalten von Verbrauchern an langen Zuleitungen auftreten kön­ nen, den Auslöser des zugehörigen Schalters betätigen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesen bekannten Schalter so zu verbessern, daß kurzzeitige Stoßfehlerströme nicht zur Auslösung des Schalters führen, insbesondere soll eine genaue Einstellung des Auslösewertes unabhängig von der Stromrichtung eines Fehlerstromes möglich sein. Ferner soll auch die Auslösung des Schalters durch Stoßströme und Stoß­ spannungen verhältnismäßig geringer Stromstärke vermieden wer­ den.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Koppelschalter sperrt bei einem kurzzeitig eingestreuten Stoßfehlerstrom während einer einstellbaren kurzen Zeit die Auslösung der Schalteinrichtung. Der Differenzstromschutzschalter ist somit unempfindlich gegen kurze Stoßfehlerströme. Durch einen Stoßstrom wird nur die an der Tertiärwicklung induzierte Zusatzspannung verändert, während das Rechtecksignal der aus der Sekundärspannung abge­ leiteten Bezugsspannung unverändert bleibt. Das Differenzsignal steuert eine einfache Differenzschaltung, die bei kurzzeitig eingestreuten Stoßströmen den Auslöser des Schalters sperrt.

Zur Ableitung der Bezugsspannung kann vorzugsweise ein komple­ xes Netzwerk mit einem Meßabgriff vorgesehen sein, das der Rei­ henschaltung aus der Sekundärwicklung mit dem Steuerwiderstand zugeordnet ist. Die Zeitkonstanten des Netzwerkes werden so ge­ wählt, daß am Meßabgriff eine verschliffene Rechteckspannung erzeugt wird, die im Verlauf und der Amplitude der Zusatzspan­ nung etwa gleich ist.

Die Spannung an diesem Netzwerk ist nahezu unabhängig vom Feh­ lerstrom.

Ein besonders einfaches Netzwerk erhält man dadurch, daß zwei RC-Glieder vorgesehen sind, von denen eines eine Reihenschal­ tung eines Widerstandes mit einer Kapazität und das andere eine Parallelschaltung eines Widerstandes mit einer Kapazität ent­ hält.

Die in der Tertiärwicklung induzierte Zusatzspannung ergibt sich aus der Überlagerung der Wechselmagnetisierung durch den Rechteckgenerator und einem Fehlerstromsignal in der Primär­ wicklung. In Abhängigkeit von der Phasenlage zwischen der Wech­ selmagnetisierung und einem Stoßfehlerstrom erhält man entweder eine Überhöhung der Bezugsspannung oder der Zusatzspannung.

Durch Differenzbildung erhält man als resultierendes Signal aus der Überlagerung das Fehlerstromsignal, das dem Koppelschalter zugeführt wird und die Auslösung des Schalters blockiert.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Schaltung eines Differenzstromschalters gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Steuersignalbildung und des Koppelschal­ ters ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 3 ist der Verlauf der Sekundärspannung in einem Diagramm veranschaulicht.

Der in Fig. 1 dargestellte Differenzstromschutzschalter über­ wacht zwei Netzleiter L 1 und L 2, die jeweils eine Primär­ wicklung 3 bzw. 4 eines Summenstromwandlers 2 bilden. Der Se­ kundärkreis des Summenstromwandlers 2 enthält eine Reihenschal­ tung eines Rechteckgenerators 5 mit einem Blockkondensator 6, der nach Erreichen seiner stationären Spannung nur Wechselströ­ me durchläßt und Gleichstromkomponenten sperrt, und der Sekun­ därwicklung 7 dieses Summenstromwandlers. Mit der Sekundär­ wicklung 7 in Reihe geschaltet sind ferner Meßkomponenten mit einem überwiegend ohmschen Dämpfungswiderstand 8 von beispiels­ weise 1 Kiloohm und ein überwiegend kapazitiver Meßwiderstand 9. Die Spannung am Meßwiderstand 9 wird einer elektronischen Auswertung 10 als Eingangssignal vorgegeben, deren nicht näher bezeichneter Ausgang an den Auslöser 11 des Schaltschlosses 12 eines Schalters 14 angeschlossen ist. Die Auswertung 10 enthält im wesentlichen eine Reihenschaltung aus einem Gleichrichter- und Integrierglied 101 mit einem Kondensator sowie einem Schwellwertschalter 102 und einem Auswerteglied 103.

Der Auswertung 10 ist ein Koppelschalter K zugeordnet, der zu­ gleich als Sensor und als Sperre für den Auslöser 11 dient und der im Falle eines kurzzeitig eingestreuten Fehlerstromes in der Form eines Stoßstromes bzw. einer Stoßspannung über seinen Ausgang 46 die Signalverarbeitung zwischen der Sekundärwicklung 7 und dem Auslöser 11 sperrt. Er kann vorzugsweise die Auswer­ teschaltung 10 während einer im Koppelschalter 19 einstellbaren Zeit sperren, beispielsweise durch Entladung des Kondensators im Integrierglied 101 und damit durch Absenken der Eingangs­ spannung des Schwellwertschalters 102.

Der Reihenschaltung aus der Sekundärwicklung 7 mit dem Dämpfungsglied 8 und dem Meßwiderstand 9 ist ein komplexes Netzwerk 15 zugeordnet, das eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 16 von beispielsweise 150 Ohm und einer Kapazität 17 von beispielsweise 0,15 µF sowie eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 18 mit beispielsweise 2,7 Ohm und einer Kapa­ zität 19 von beispielsweise 68 nF enthält. Die aus der Sekun­ därspannung abgeleitete Bezugsspannung U ₁ wird dem Eingang 21 eines Umformers 20 vorgegeben, dessen zweitem Eingang 22 die Zusatzspannung U ₂ einer Tertiärwicklung 71 vorgegeben ist und der die Differenzspannung am Eingang 21, 22 in eine Steuer­ spannung für den Koppelschalter K umformt. Der Koppelschalter K enthält einen Sensor 30 und eine vom Sensor 30 gesteuerte Aus­ lösesperre 40 für den Auslöser 11.

Die Zusatzspannung U ₂ an der Tertiärwicklung 71 wird erzeugt durch die resultierende, sich zeitlich ändernde Magnetisierung im Ringbandkern des Summenstromwandlers 2. Die vom Rechteck­ generator 5 in den Sekundärkreis eingespeiste Rechteckspannung fällt im wesentlichen ab an der Sekundärwicklung 7 und dem Meß­ widerstand 9. Solange kein Fehlerstrom fließt, wird die Zusatz­ spannung U ₂ an der Tertiärwicklung 71 induziert durch den Rechteckgenerator 5 über die Sekundärwicklung 7. Mit einem Feh­ lerstrom, beispielsweise einem Stoßstrom in den Primärwicklun­ gen 3 und 4, ergibt sich die Zusatzspannung an der Tertiär­ wicklung 71 aus der Überlagerung der Rechteckmagnetisierung mit dem Fehlerstrom. Die Bezugsspannung U ₁ am Netzwerk 15 erzeugt ein Vergleichssignal, das wenigstens annähernd der Zusatzspan­ nung U ₂ an der Tertiärwicklung 71 ohne Fehlerstrom entspricht. Das Netzwerk 15 erzeugt somit als Bezugsspannung U ₁ eine Wech­ selspannung, die der Spannung des Rechteckgenerators 5 ent­ spricht. Die ohne Fehlerstrom in der Tertiärwicklung 71 indu­ zierte Zusatzspannung U ₂ entspricht somit zwar nicht in der Form, aber in der Frequenz der Sekundärspannung U _s. Diese Se­ kundärspannung U _s entsteht aus der Wechselmagnetisierung des Rechteckgenerators 5 und gegebenenfalls dem Spannungsabfall durch einen Fehlerstrom.

Die aus der Bezugsspannung U ₁ und der Zusatzspannung U ₂ im Umformer 20 gebildete Steuerspannung steuert den Sensor 30 im Koppelschalter K, der über den Ausgang 46 der Auslösesperre 40 den Auslöser 11 vorübergehend blockiert.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 besteht ein besonders ein­ facher Umformer 20 aus zwei Transistoren 25 und 28, denen je­ weils ein RC-Glied als Zeitglied vorgeschaltet ist und das einen Widerstand 23 bzw. 26 von beispielsweise jeweils 1 Kilo­ ohm und eine Kapazität 24 bzw. 27 von beispielsweise jeweils 10 nF besteht. Der Emitter des einen Transistors ist jeweils an den Basis-Kreis des anderen Transistors angeschlossen. Das Aus­ gangssignal des Umformers 20 wird dem Sensor 30 des Koppel­ schalters K zugeführt, der über ein Zeitglied 31 mit einem Wi­ derstand 32 von beispielsweise 4,7 Megohm und eine Kapazität 33 von beispielsweise 150 nF und einem Eingang 29 an eine Versorgungsspannung von beispielsweise 6 V angeschlossen ist. Der Eingang des Sensors 30 enthält einen Begrenzungswiderstand 34 von beispielsweise 270 Kiloohm. Ein Optokoppler 38 ist über ein weiteres Zeitglied 35 mit einem Widerstand 37 von bei­ spielsweise 3,3 Megohm und einer Kapazität 36 von beispiels­ weise 22 nF sowie einem Widerstand 45 angeschlossen. Der nicht näher bezeichnete Transistor des Optokopplers 38 enthält einen Kollektorwiderstand 39 von beispielsweise 22 Ohm. Der Optokopp­ ler 38 steuert die Auslösesperre 40, die eine Kapazität 41 sowie einen Entladewiderstand 42 und einen Lastwiderstand 44 für einen Transistor 43 enthält und deren Ausgangssignal am Ausgang 46 in den Sekundärkreis des Summenstromwandlers 2 eingreift und dadurch den Auslöser 11 für den Schalter 14 sperrt.

Zwischen dem Rechteckgenerator 5 und dem Bezugspotential besteht eine eingeprägte Rechteckspannung. Die Zeitkonstanten des komplexen Netzwerks 15 sind so gewählt, daß am Meßabgriff der Bezugsspannung U ₁ eine verschliffene Rechteckspannung gemäß Fig. 2 erzeugt wird, die der Zusatzspannung U ₂ an der Tertiär­ wicklung 71 in der Frequenz gleich und in der Amplitude und im Verlauf etwa gleich ist. Hierzu dienen die beiden RC-Glieder, von denen die beiden Kapazitäten 17 und 19 die Amplitude A, der Widerstand 16 und die Kapazität 17 die Stirnflanke B und der Widerstand 18 mit der Kapazität 19 die Neigung des fallenden Spannungsplateaus C bestimmen. Durch einen Fehlerstrom im Pri­ märkreis des Summenwandlers 2 ergibt sich eine Differenz zwi­ schen der Bezugsspannung U ₁ und der Zusatzspannung U ₂, so daß einer der Transistoren 25 und 28 durchgesteuert wird und am Ausgang des Umformers 20 ein Ausgangsimpuls erscheint, dessen Strom über den Entladewiderstand 32 und den Begrenzungswider­ stand 34 fließt. Der Spannungsabfall am Begrenzungswiderstand 34 dient für den Koppelschalter K als Steuerspannung. Durch das Ausgangssignal des Umformers 20 wird zugleich der Kondensator 33 des Zeitgliedes 31 geladen. Dieses Zeitglied bestimmt durch die Zeit der anschließenden Entladung des Kondensators 33 die Sperrzeit, bis der Kondensator wieder einen Stromimpuls tragen kann. Während der Entladung ist der Schalter blockiert. Der Optokoppler 38 wird gesteuert von der Spannung am Begrenzungs­ widerstand 34, wenn der Umformer an seinem Ausgang einen Strom­ impuls erzeugt. Das Zeitglied 35 bestimmt durch die Aufladung seines Kondensators 36 die Leuchtdauer der in der Figur nicht näher bezeichneten Diode des Optokopplers 38. Während der Leuchtdauer wird der Kondensator 41 der Auslösesperre 40 durch den Kollektorstrom des Transistors über den verhältnismäßig kleinen Kollektorwiderstand 39 während einer verhältnismäßig geringen Zeit aufgeladen und anschließend über den Entlade­ widerstand 42 und den Lastwiderstand 43 entladen. Diese Entla­ dezeit bestimmt durch das Ausgangssignal am Ausgang 46 die Zeit der Sperrung des Auslösers 11, vorzugsweise durch einen ent­ sprechenden Eingriff in die Auswertung 10.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 enthält der Umformer 20 zwei Schalttransistoren 25 und 28. Als Umformer 20 kann jedoch auch ein Differenzverstärker mit Gleichrichtung vorgesehen sein.

Im Ausführungsbeispiel ist eine Ausführungsform eines Diffe­ renzstromschutzschalters dargestellt, bei der eine Blockierung der Auswerteschaltung 10 durch die Auslösesperre 40 vorgesehen ist. Das Signal der Auslösesperre 40 am Ausgang 46 kann aber beispielsweise auch zur kurzzeitigen Ausschaltung der Wechsel­ magnetisierung des Wandlerkerns vorgesehen sein.

Claims (4)

1. Differenzstromschutzschalter nach dem Prinzip einer Transduktorschaltung mit einem Summenstromwandler, dessen Se­ kundärwicklung mit einem komplexen Meßwiderstand und einem Rechteckgenerator in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Koppelschalter (K) vorgesehen ist, der einen Sensor (30) und eine vom Sensor (30) steuerbare Auslösesperre (40) für den Auslöser (11) eines Schalters (14) enthält und daß ein Umformer 20 vorgesehen ist, dessen Eingang die Differenzspannung einer aus der Sekundär­ spannung (U _s) des Summenstromwandlers (2) abgeleiteten Bezugs­ spannung (U ₁) und einer durch die resultierende Magnetisierung aus der Spannung des Rechteckgenerators (5) und des Fehlerstro­ mes in einer Tertiärwicklung (71) induzierten Zusatzspannung (U ₂) vorgegeben ist und dessen Ausgangssignal als Steuerspan­ nung für den Koppelschalter (K) vorgesehen ist.

2. Differenzstromschutzschalter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Reihen­ schaltung aus der Sekundärwicklung (7) mit dem Meßwiderstand (9) ein komplexes Meßwerk (15) mit einem Meßabgriff zugeordnet ist, dessen Zeitkonstanten so gewählt sind, daß am Meßabgriff eine verschliffene Rechteckspannung erzeugt wird, die im Ver­ lauf und der Amplitude der Zusatzspannung U ₂ etwa gleich ist.

3. Differenzstromschutzschalter nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Netzwerk (15) mit zwei RC-Gliedern vorgesehen ist, von denen eines eine Reihenschaltung eines Widerstandes (16) mit einer Kapazität (17) und das andere, das mit dem Meßabgriff versehen ist, eine Parallelschaltung eines Widerstandes (18) mit einer Kapazität (19) enthält.

4. Differenzstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer (20) aus zwei gleichartigen Transistorschaltungen besteht, die im Basiskreis jeweils eine Reihenschaltung eines Widerstandes (23 bzw. 26) mit einer Kapazität (24 bzw. 27) enthalten und deren Emitter jeweils mit dem Basiskreis des anderen Transistors verbunden ist.