DE4009094A1

DE4009094A1 - Zeitverzoegerter fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: DE4009094A1
Application number: DE19904009094
Authority: DE
Inventors: Dominique Wenger
Original assignee: Serd S A D Etude Et De Ste
Current assignee: Serd S A D Etude Et De Ste
Priority date: 1989-10-25
Filing date: 1990-03-21
Publication date: 1991-05-02
Also published as: FR2653610B1; FR2653610A1

Description

Die Erfindung betrifft einen zeitverzögerten Fehlerstrom schutzschalter mit einem Summenstromwandler, einem polari sierten Haltemagnetauslöser und einem mit dem Haltemagnet auslöser zusammenwirkenden elektrischen Zeitverzögerungs glied.

Bei einem bekannten Fehlerstromschutzschalter der eingangs genannten Art (Siemens-Zeitschrift 42, 1968, Heft 6, S. 492- 494) wird die Auslöseverzögerung durch ein RC-Glied besorgt, das an die Ausgangsklemmen einer Gleichrichterbrückenschal tung im Sekundärkreis des Summenstromwandlers angeschlossen ist. Aufgrund des Streubereichs solcher Zeitverzögerungs schaltungen mit reinen RC-Gliedern hat der bekannte Fehler stromschutzschalter eine gewisse Ungenauigkeit im Ansprechen des nachgeschalteten Auslösers.

Ein anderer bekannter Fehlerstromschutzschalter der eingangs genannten Art (DE-AS 27 45 464) vermeidet diesen Mangel da durch, daß ein Verzögerungskondensator über ein elektroni sches Schaltglied aufgeladen wird, dessen Hauptbestandteil ein aus einem Transistor und einer Zenerdiode bestehender Konstantstromregelkreis ist, der über eine Gleichrichter brückenschaltung an die Sekundärseite des Summenstromwandlers angeschlossen ist. Dieser Kreis liefert einen begrenzten, konstanten Strom mit der Folge einer konstanten Verzögerungs zeit unabhängig von der Höhe des Fehlerstroms, was den Bedin gungen für selektive Fehlerstromschutzschalter jedoch nicht genügt.

Schließlich ist aus der DE-PS 31 27 331 eine elektronische Auslöseschaltung für einen zeitverzögerten Fehlerstrom schutzschalter bekannt, bei welcher der Erregerwicklung des Auslösers ein Schwellwert-Schalter vorgeschaltet ist, bei dessen Ansprechen die im Verzögerungskondensator gespeicherte Energie der Erregerwicklung des Auslösers zugeführt wird. Auch bei dieser Schaltung erfolgt die Aufladung des Verzöge rungskondensators über einen an die Sekundärwicklung des Sum menstromwandlers über einen Vollwellengleichrichter ange schlossenen Kondensatstromregler, der die Auslösezeit im we sentlichen unabhängig von der Höhe des Fehlerstroms konstant hält.

Alle vorerwähnten bekannten Fehlerstromschutzschalter weisen somit Mängel auf und sind darüber hinaus verhältnismäßig teuer in der Herstellung durch die Verwendung von Vollwellen gleichrichtern und Energiespeicherkondensatoren, und sie benötigen Summenstromwandler mit einer Vielzahl von Windungen bei der Sekundärwicklung, um im Ansprechfall die erforderli che Betriebsspannung für die Elektronik zu induzieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen zeitverzögerten Fehlerstromschutzschalter der ein gangs genannten Art zu schaffen, der unter Gewährleistung ausreichender Unempfindlichkeit gegenüber unerwünschten Aus lösungen dennoch einfach im Aufbau ist und mit einer geringen Anzahl von Windungen für die Sekundärwicklung des Summen stromwandlers auskommt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der polarisierte Haltemagnetauslöser unmittelbar an die Sekun därwicklung des Summenstromwandlers in Reihe mit einem Kon densator angeschaltet ist, daß an zwei vom Fehlerstrom schutzschalter schaltbare Hauptleiter eine Gleichstromver sorgungsschaltung angeschlossen ist, von welcher der Halte magnetauslöser über wenigstens eine Diode magnetisch gleich sinnig zu dem Haltemagneten mit Gleichstrom erregbar ist, und daß an die Sekundärwicklung oder eine gesonderte weitere Wicklung des Summenstromwandlers ein Verstärker angeschlossen ist, von welchem über das Verzögerungsglied nach Ablauf der Verzögerungszeit eine die Ausgangsklemmen der Gleichstromver sorgungsschaltung kurzschließende elektronische Schaltein richtung ansteuerbar ist.

Die Erfindung macht sich mit dieser Lösung, die aus bei spielsweise der DE-PS 20 36 497 und der DE-AS 20 44 302 be kannte unmittelbare Speisung des Haltemagnetauslösers eines unverzögerten Fehlerstromschutzschalters mit der im Summen stromwandler beim Auftreten eines Fehlerstroms induzierten Wechselspannung zunutze und erreicht die erforderliche Zeit verzögerung der Auslösung durch Überlagerung dieser Spannung mit einer von einer netzbetriebenen Gleichstromversorgung er zeugten Gleichspannung, die für die Dauer ihres Auftretens das magnetische Feld des Dauermagneten im Haltemagnetauslöser verstärkt, bis das an die Sekundärwicklung oder eine zusätzli che Wicklung des Summenstromwandlers über einen Verstärker angeschlossene Verzögerungsglied nach Ablauf der Verzöge rungszeit die überlagernde Gleichspannung kurzschließt und dadurch den Auslöser durch die nächstfolgende feldschwächende Stromhalbwelle aus der Sekundärwicklung des Summenstromwand lers auslösen läßt.

Die Zeitverzögerung kann weiterhin so bemessen werden, daß der Fehlerstromschutzschalter als selektiver Fehlerstrom schutzschalter eingesetzt werden kann, um in verzweigten Nie derspannungs-Versorgungsanlagen, in denen sowohl die Haupt verteilung als auch die Unterverteilung und die dazwischen liegenden Anlagenteile in die Fehlerstromschutzschaltung ein bezogen sind, ein Ausschalten aller an die Hauptverteilung angeschlossenen Verbraucher im Falle eines Isolationsfehlers hinter der Unterverteilung zu verhindern.

Die Vorteile der Erfindung sind:

- keine Verminderung der Sicherheit;
- kein Vollwellengleichrichter und keine Elektronik, die bei extrem schwacher Leistung arbeiten muß, mit der Folge geringerer Herstellungskosten;,
- es wird keine 6 Volt- oder ähnliche Spannung an der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers für die Elektronik benötigt, d. h. die Windungszahl der Sekun därwicklung kann mit der Folge einer weiteren Kosten senkung kleingehalten werden;
- hohe Unempfindlichkeit gegenüber Fehlauslösungen durch Stoßspannungen oder Parasitenströme sowie durch mechanische Stöße und Erschütterungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 Die Auslöseschaltung einer ersten Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Fehler stromschutzschalters in Gestalt eines Blockschaltbildes,

Fig. 2 eine abgeänderte Ausführungsform, in wel cher die einzelnen Blöcke durch elektro nische Schaltungsglieder ersetzt sind.

Bei beiden gezeigten Ausführungsformen sind mit P bzw. N der Phasenleiter und der Nulleiter einer im Beispielsfall einpha sigen Niederspannungsversorgungsleitung 10 bezeichnet, von der eine Zweigleitung 12 zu einem (nicht gezeigten) Verbrau cher abgeht. Die Zweigleitung 12 hat demzufolge ebenfalls zwei Leiter P₁ und N₁, die durch die Schaltkontakte 14 eines nur schematisch dargestellten zweipoligen Fehlerstromschutz schalters aufgetrennt werden können. Die Schaltkontakte 14 sind mechanisch durch ein Betätigungsglied 16 mit einem Antrieb 18 verbunden, mit welchem die Schaltkontakte 14 nor mal ein- und ausgeschaltet werden können. In dem Betätigungs glied 16 befindet sich ein Schaltschloß 20, das durch einen polarisierten Haltemagnetauslöser 22 entkuppelbar ist, um die Schaltkontakte 14 beim Auftreten eines Fehlerstroms in der Zweigleitung 12 zu öffnen.

Zur Überwachung des Fehlerstroms dient ein Summenstromwandler 24 mit einem nur schematisch angedeuteten Ringkern 26, durch den sich die Leiter P₁, N₁ der Zweigleitung 12 als Primär wicklung erstrecken. Der Ringkern 26 trägt ferner eine aus verhältnismäßig wenigen Windungen bestehende Sekundärwicklung 28, deren Ausgangsklemmen über Leitungen 30, 32 mit den Ein gangsklemmen des Haltemagnetauslösers 22 verbunden sind, und zwar in Reihe mit einem Kondensator 34, der im Beispielsfall in der Leitung 32 angeordnet ist. Der Kondensator 34 kann je doch auch jede der Leitungen 30, 32 einen oder mehrere Kon densatoren enthalten. Die Aufgabe des Kondensators 34 wird weiter unten erläutert.

An die Leiter P₁, N₁ ist über Leitungen 36, 38 eine in Fig. 1 nur als Block eingezeichnete Gleichstromversorgungseinrich tung 40 angeschlossen, deren Ausgangsklemmen über Leitungen 42, 44 mit den Leitungen 32, 30 hinter dem Kondensator 34 verbunden sind. Dadurch wird, wenn zwischen den Leitungen P₁ und N₁ die normale Betriebsspannung von beispielsweise 230 Volt anliegt, die Erregerspule des Haltemagnetauslösers mit Gleichstrom erregt, und zwar derart, daß die vom Permanentma gneten des Haltemagnetauslösers auf dessen Anker ausgeübte Anzugkraft verstärkt wird. Dabei verhindert der Kondensator 34 einen Kurzschluß der Gleichstromversorgungseinrichtung über die Sekundärwicklung 28 des Summenstromwandlers 24. In der Leitung 42 befinden sich zwei in Reihe geschaltete Gleichrichterdioden 46, 48, die so gepolt sind, daß sie den vorerwähnten Erreger-Gleichstrom von der Gleichstromversor gungseinrichtung 40 zum Haltemagnetauslöser 22 hindurchlas sen, einen Stromfluß in entgegengesetzter Richtung jedoch sperren. Weiterhin befindet sich zwischen den Leitern 42, 44 eine elektronische Schalteinrichtung 50, die zweckmäßig aus einem Thyristor besteht. Beim Ansteuern der elektronischen Schalteinrichtung 50 werden die Ausgangsklemmen der Gleich stromversorgungseinrichtung 40 kurzgeschlossen, so daß auch der Haltemagnetauslöser 32 nicht mehr mit Gleichstrom im Sinne einer Verstärkung der Anzugkraft für den Auslöseranker erregt wird.

Zum Ansteuern der elektronischen Schalteinrichtung 50 dient ein Hilfskreis 52 mit einem Verstärker 54 und einem an dessen Ausgang angeschlossenen elektronischen Verzögerungsglied 56, dessen Ausgang über eine Leitung 58 mit dem Steuereingang der elektronischen Schalteinrichtung 50 verbunden ist. Der Ver stärker 54 ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit sei nen Eingängen an eine dritte oder Tertiärwicklung 60 des Sum menstromwandlers über Leitungen 62, 64 angeschlossen.

Die Wirkungsweise der vorbeschriebenen Schaltung ist fol gende:
Wenn an den Leitern P₁, N₁ keine Spannung anliegt, tritt folglich auch keine Gleichspannung an der Gleichstromver sorgungseinrichtung 40 auf, und es kommt auch nichts aus dem Verstärker 54. Das System arbeitet dann genau wie ein unver zögerter Fehlerstromschutzschalter. Wenn an den Leitern P₁, N₁ 230 Volt anliegen, kommt, sofern kein Fehlerstrom vorhan den ist, nichts aus dem Verstärker 54 und dem Zeitverzöge rungsglied 56. Der auf das Zeitverzögerungsglied 56 folgende Thyristor 50 bleibt gesperrt. Die von der Gleichstromversor gungseinrichtung 40 abgegebene Gleichspannung wirkt an den Klemmen des Haltemagnetauslösers 22, jedoch aufgrund ihrer Polung derart, daß das Feld des Permanentmagneten im Haltema gnetauslöser 22 verstärkt wird. Demzufolge kann der Haltema gnetauslöser überhaupt nicht auslösen: seine Unempfindlich keit gegenüber unerwünschten Auslösungen ist erhöht.

Tritt nun ein Fehlerstrom auf, wird in der Sekundärwicklung 28 des Summenstromwandlers 24 eine Wechselspannung induziert, deren negative Halbwellen die Gleichspannung am Auslöser schwächen, jedoch zunächst ohne Folgen. Ebenso wird in der Tertiärwicklung 60 des Summenstromwandlers 24 eine Spannung induziert, die durch den Verstärker 54 verstärkt und zum Zeitverzögerungsglied 56 weitergegeben wird. Dieses liefert mit einer gewissen Zeitverzögerung eine Spannung 58 zur Steuerung des Thyristors 50 und löst diesen aus. Durch die Auslösung des Thyristors 50 wird die Gleichstromversorgungs einrichtung 40 kurzgeschlossen und erlaubt dem Haltemagnet auslöser, unter der Wirkung der nächsten feldschwächenden Halbwelle der Sekundärspannung des Summenstromwandlers 24 auszulösen. Die beiden in Serie geschalteten Dioden 46, 48 dienen dabei zum Abkuppeln der Gleichstromversorgungsein richtung von der Sekundärwicklung 28 des Summenstromwandlers 24.

Die in Fig. 2 gezeigte abgeänderte Ausführungsform des er findungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters unterscheidet sich von der nach Fig. 1 nur dadurch, daß die Tertiärwicklung 60 fehlt und der Verstärker 54 parallel zum Haltemagnetauslöser 22 an die Sekundärwicklung 28 des Summenstromwandlers ange schlossen ist. Ansonsten sind die einzelnen Blöcke 40, 54, 56 durch elektronische Schaltungsglieder ersetzt, aus denen die Blöcke beispielsweise bestehen können.

So besteht die Gleichstromversorgungseinrichtung 40 nach Fig. 2 aus einem Vorwiderstand 66 und einer Diode 68, hinter wel che zwischen den beiden Leitungen 42, 44 ein Glättungskonden sator 70 geschaltet ist. Außerdem kann parallel zu dem Glät tungskondensator noch eine Zenerdiode 72 angeschlossen sein. Die Aufgabe der Zenerdiode 72 besteht vor allem darin, eine geregelte Versorgungsspannung für den Verstärker 54 zu lie fern.

Das Zeitverzögerungsglied 56 ist als RC-Glied ausgebildet und besteht aus einem ohmschen Widerstand 74 und einem Kondensa tor 76.

Die Wirkungsweise der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ist die selbe wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf zweipolige Fehlerstromschutzschalter zur Anwendung in einphasigen Nie derspannungsversorgungsanlagen beschränkt, sondern läßt sich genauso in mehrphasigen Anlagen, insbesondere dreiphasigen Anlagen unter Verwendung von vierpoligen Fehlerstromschutz schaltern, einsetzen.

Claims

1. Zeitverzögerter Fehlerstromschutzschalter mit einem Sum menstromwandler, einem polarisierten Haltemagnetauslöser und einem mit dem Haltemagnetauslöser zusammenwirkenden elektrischen Zeitverzögerungsglied, dadurch gekennzeich net, daß der Haltemagnetauslöser (22) unmittelbar an die Sekundärwicklung (28) des Summenstromwandlers (24) in Reihe mit einem Kondensator (34) angeschaltet ist, daß an zwei vom Fehlerstromschutzschalter schaltbare Hauptleiter (P₁, N₁) eine Gleichstromversorgungsschaltung (40) ange schlossen ist, von welcher über wenigstens eine Diode (46, 48) der Haltemagnetauslöser (22) gleichsinnig zu dem Haltemagneten mit Gleichstrom erregbar ist, und daß an die Sekundärwicklung (28) oder eine Tertiärwicklung (60) des Summenstromwandlers (24) ein Verstärker (54) ange schlossen ist, von welchem über das Verzögerungsglied (56) nach Ablauf der Verzögerungszeit eine die Ausgangs klemmen der Gleichstromversorgungsschaltung (40) kurz schließende elektronische Schalteinrichtung (50) an steuerbar ist.

2. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung (50) ein Thyristor ist.

3. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (56) ein RC- Glied ist.

4. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrom versorgungsschaltung (40) von wenigstens einer Diode (68) mit einem nachgeschalteten Glättungskondensator (70) ge bildet ist.

5. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß zu dem Glättungskondensator eine Zener diode (72) parallel geschaltet ist.