DE4019810A1 - Verfahren zum nachweis eines wechselstromes oder gleichstromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis eines Wechselstromes/Gleichstromes ohne elektrischen Kontakt unter Verwendung der magnetischen Kopplung in einem Eisenkern. Die Erfindung kann in Nullphasenstrom-Detektoren oder verschie­ denen Arten von Fehlerstrom-Detektoren verwendet werden.

Ein Nullphasenstrom-Wandler, der Erdschluß-Trennschalter und Erdschluß-Schutzrelais verwendet, ermittelt einen kleinen Strom ohne elektrischen Kontakt. Fig. 19 zeigt den grund­ sätzlichen Aufbau eines Nullphasenwandlers nach dem Stand der Technik. Wie in Fig. 19 gezeigt, umfaßt der Nullphasen­ wandler zwei Leiter 2, die durch das Mittelloch eines ringförmigen Eisenkernes 1 hindurchgehen, welcher eine hohe Permeabilität besitzt. Ein Widerstand 4 ist mit den Enden einer Nachweisspule 3 verbunden, welche auf den Eisenkern 1 gewickelt ist. Jeder der Leiter 2 ist an die Wechselstrom­ quelle 5 und die Last 6 des Hauptstromkreises angeschlossen. Unter normalen Bedingungen fließen Vorwärts- und Rückwärts­ ströme I₁ bzw. I₂ in den zwei Leitern 2 und weisen den glei­ chen Wert, aber entgegengesetzte Richtung auf, wie durch die Pfeile in Fig. 19 gezeigt. Also wird der Eisenkern 1 nicht magnetisiert, und es wird in der Nachweisspule 3 keine Span­ nung induziert. Mit einem Erdschluß (earth leakage) auf der Seite der Last 6 werden die Werte der Ströme I₁ und I₂ unter­ schiedlich, wobei sie den Eisenkern 1 magnetisieren und eine Spannung induzieren. Folglich fließt in den Widerstand 4 ein Strom, und die resultierende Spannung an dem Widerstand 4 kann als Steuersignal herausgenommen werden. Obzwar Fig. 19 eine einzelne Phase zeigt, versteht es sich, daß die gleiche Theorie auf drei Phasen angewendet werden kann, wenn drei Sätze von Leitern 2 vorgesehen sind. Der Strom, welcher durch den Nullphasenwandler nachgewiesen werden kann, ist theore­ tisch nur ein Nullphasen-Wechselstrom. Der Nullphasenwandler kann nicht für einen Gleichstrom verwendet werden.

Die folgenden Verfahren nach dem Stand der Technik sind vorgeschlagen worden, um einen Gleichstrom ohne elektrischen Kontakt mit dem Hauptstromkreis nachzuweisen. Ein Gerät zur Verwirklichung dieser Verfahren wird nicht gezeigt.

Eines der Verfahren ist ein Gleichstromwandler, welcher zwei Eisenkerne mit geschlossenem Magnetkreis verwendet. Die Eisenkerne werden vorbereitend durch einen Wechselstrom erregt, um einander entgegengesetzte Magnetflußrichtungen aufzuweisen. Falls ein durch einen nachgewiesenen Strom ver­ ursachtes Gleichstrommagnetfeld angelegt wird, verändert sich der Wechselstrom. Folglich kann der Gleichstrom nachgewiesen werden auf der Grundlage der Veränderung des Wechselstromes.

Ein anderes Verfahren ist ein Hallelement-Detektor. Gemäß dem Hallelementverfahren kann ein nachzuweisender Strom durch ein Hallelement gemessen werden, das in einen Spalt in einem Eisenkern eingefügt ist.

Seit kurzem wird die vorbeugende Wartung als wichtig angese­ hen, und so ergibt sich ein Bedarf für Erdschluß-Trennschal­ ter, Erdschluß-Schutzrelais und ähnliche Erdschlußstörung- Trennschalter für Gleichstromvorrichtungen. Die vorerwähnten Gleichstrom-Nachweisverfahren können jedoch diesen Bedarf nicht erfüllen.

Der Strom, welcher durch den Nullphasenwandler nachgewiesen werden kann, ist nur ein Wechselstrom, wie oben beschrieben. Falls solch ein Wechselstrom nachgewiesen wird, ist ferner der nachgewiesene Strom klein. Das nachgewiesene Magnetfeld ist dann auch klein, wie in der Magnetisierungskurve in Fig. 20 gezeigt, obwohl als Eisenkern 1 ein hochpermeables Mate­ rial wie eine Fe-Ni-Legierung verwendet wird, zum Beispiel Permalloy (Markenname). Dementsprechend ist der erhaltene Magnetfluß niedrig, so daß die Größe und das Gewicht des Detektors vergrößert werden müssen.

Das Verfahren zur Ermittlung eines Gleichstromes unter Ver­ wendung eines Gleichstromwandlers ist unangemessen, da zwei Eisenkerne benötigt werden. Dies vergrößert die Abmessung des Detektors. Daher ist dieses Verfahren theoretisch ungeeignet für einen kleinen Strom, obwohl es für einen großen Strom ge­ eignet sein kann.

Das Verfahren zur Ermittlung eines Gleichstromes unter Ver­ wendung eines Hallelement-Detektors ist unangemessen, da der Spalt in dem Eisenkern leicht durch ein äußeres Magnetfeld beeinflußt wird. Daher wird eine magnetische Abschirmung benötigt. Dementsprechend nimmt die Größe des Detektors zu. Wenn der Hauptstrom groß ist und der nachzuweisende Strom klein ist wie in einem Nullphasenwandler, kann ferner das durch den Hauptstrom induzierte Magnetfeld nicht auf Null ausgeglichen werden wegen des Einflusses, der durch den Spalt in dem Eisenkern bewirkt wird.

Wie oben beschrieben, ist kein geeignetes Gerät zur Ermitt­ lung eines Differenzgleichstromes geschaffen worden. Außerdem braucht der nachzuweisende Gleichstrom zur Steuerng von Erd­ schluß-Trennschaltern, Erdschluß-Schutzrelais und dergleichen kein perfekter Gleichstrom sein, sondern kann ein pulsieren­ der Strom sein, der durch Gleichrichten eines Wechselstromes erhalten wird.

Daher ist ein Ziel der Erfindung die Schaffung eines Verfahr­ rens, welches einen Wechselstrom sowie einen Gleichstrom in einem relativ kompakten Gerät nachweisen kann.

Zur Lösung dieses Problems führt das Verfahren gemäß der Erfindung eine Hochfrequenzerregung an einem Eisenkern in dem positiven Bereich und in dem negativen Bereich durch, so daß das Magnetfeld in der magnetischen Hystereskurve des Eisen­ kernes mehr ist als die Koerzitivkraft. Der HF-Erregerstrom wird dann verändert durch ein Magnetfeld, das durch einen nachgewiesenen Strom induziert wird.

Das Verfahren der Erfindung ist folgendes. Eine Hochfrequenz­ spule ist auf einen Eisenkern gewickelt, welcher eine ausge­ zeichnete Eigenschaft einer rechteckigen magnetischen Hysterese und einer kleinen Koerzitivkraft aufweist. Ein Nachweiswiderstand mit einem relativ kleinen Widerstandswert im Vergleich zu der Reaktanz des Eisenkernes und der HF-Spu­ lenabschnitt sind in Reihe geschaltet, wobei der letztere mit dem Eisenkern gekoppelt ist. Der Eisenkern wird mit einer HF- Stromquelle erregt, so daß sein Magnetfeld größer ist als seine Koerzitivkraft. Wenn ein kleines Magnetfeld durch einen nachzuweisenden Strom induziert wird, der in dem Erregungszu­ stand in einem Leiter fließt, welcher durch das Mittelloch des Eisenkernes hindurchgeht, wird der Bereich der Hysterese­ kurve verschoben, was die Magnetflußdichte und den Bereich des Magnetfeldes verschiebt. Folglich verändert sich der HF- Erregerstrom. Daher wird der Strom in dem Hauptschaltkreis festgestellt durch Entnehmen der Veränderung des HF-Erreger­ stromes als einen Spannungsabfall an dem Nachweiswiderstand oder als Spannungsänderung zwischen den entgegengesetzten En­ den der HF-Erregerspule und Durchführung einer Signalverar­ beitung durch eine elektronische Schaltung. Eine Schaltung zum Nachweis eines momentan fließenden großen Stromes kann in Kombination mit der vorerwähnten Schaltung verwendet werden, so daß es möglich ist, einen großen Strom sowie einen kleinen Strom zu nachzuweisen.

Wenn der Eisenkern durch eine hohe Frequenz erregt wird, wie oben beschrieben, wird der Erregungsbereich auf der Hystere­ sekurve des Eisenkernes verschoben auf der Grundlage eines kleinen Magnetfeldes, das durch den nachgewiesenen Strom induziert wird. Mit der Verschiebung des Erregungsbereichs verändern sich der Wert des HF-Erregerstromes in der Nachbar­ schaft der Koerzitivkraft und der Extremwert des HF-Erreger­ stromes. Dementsprechend kann ein Wechselstrom/Gleichstrom nachgewiesen werden auf der Grundlage der Differenz zwischen den Absolutwerten der positiven und negativen Stromwerte des HF-Erregerstromes. Es kann auch ein momentan fließender großer Strom ermittelt werden auf der Grundlage der Summe der absoluten Werte.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Aus­ führungsform zum Nachweis eines kleinen Stromes;

Fig. 2 eine magnetische Hysteresekurve eines Eisenkernma­ terials;

Fig. 3 ein Magnetkennliniendiagramm einer idealisierten Form der magnetischen Hysteresekurve;

Fig. 4 ein Diagramm der Beziehung zwischen dem in dem Eisenkern erzeugten Magnetfeld und der Wellenform des HF-Erregerstromes;

Fig. 5(a) ein Diagramm des ermittelten Stromes als Funktion der Zeit in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungs­ form;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Er­ findung, bei welcher der nachgewiesene Strom aus der Spannung zwischen den entgegengesetzten Enden des Nachweiswiderstandes berechnet wird;

Fig. 7(a) ein Wellenformdiagramm der Ausgangsspannung des Umkehrverstärkers von Fig. 6;

Fig. 7(b) ein Wellenformdiagramm der Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters von Fig. 6;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Er­ findung, bei welcher der nachgewiesene Strom aus der Spannung zwischen entgegengesetzten Enden der HF-Erregerspule ermittelt wird;

Fig. 9(a) ein Wellenformdiagramm der Ausgangsspannung der Spitzenhalteeinrichtung von Fig. 8;

Fig. 9(b) ein Wellenformdiagramm der Ausgangsspannung des Addierers von Fig. 8;

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Aus­ führungsform zur Ermittlung eines großen Stromes;

Fig. 11(a) ein Diagramm des nachgewiesenen Stromes als Funktion der Zeit in der Ausführungsform von Fig. 10;

Fig. 11(b) ein Wellenformdiagramm der Ausgangsspannung zwischen den entgegengesetzten Enden des Nachweis­ widerstandes von Fig. 10;

Fig. 12 ein Diagramm des nachgewiesenen Stromes als Funk­ tion der Ausgangsspannung in der Kleinstromseite und in der Großstromseite von Fig. 10;

Fig. 13 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Er­ findung mit einer Gleichstromquelle als Abwandlung der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform;

Fig. 14 ein Diagramm des nachgewiesenen Stromes als Funk­ tion der Ausgangsspannung, wenn ein Gleichstrom durch die Ausführungsform von Fig. 6 nachgewiesen wird;

Fig. 15 ein Diagramm des Effektivwertes des nachgewiesenen Stromes als Funktion des Effektivwertes der Aus­ gangsspannung, wenn ein Sinuswellen-Wechselstrom durch die Ausführungsform von Fig. 6 nachgewiesen wird;

Fig. 16 ein Diagramm des ermittelten Stromes als Funktion der Ausgangsspannung, wenn ein Gleichstrom unter Verwendung der Ausführungsform von Fig. 8 nachge­ wiesen wird;

Fig. 17 ein Diagramm des Effektivwertes des ermittelten Stromes als Funktion des Effektivwertes der Aus­ gangsspannung, wenn ein Sinuswellen-Wechselstrom durch die Ausführungsform von Fig. 8 nachgewiesen wird;

Fig. 18 ein Diagramm des nachgewiesenen Stromes als Funk­ tion der Ausgangsspannung, welcher erhalten wird, wenn die Ausgangsspannung der Kleinstromseite und die Ausgangsspannung der Großstromseite durch die Ausführungsform von Fig. 10 gemessen werden;

Fig. 19 ein Blockschaltbild eines Nullphasenwandlers nach dem Stand der Technik; und

Fig. 20 ein Diagramm der Magnetisierungskurve des in Fig. 19 gezeigten Eisenkernmaterials.

Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung, welche zum Nachweis eines kleinen Wechselstromes/Gleichstromes verwendet wird. Ein Eisenkern 1a in Fig. 1 weist eine rechteckige Hystereskurve als Magnetkennlinie auf und besteht aus einem Material mit einem kleinen Koerzitivkraftwert. Der Eisenkern 1a besitzt eine ringförmige Gestalt. Ein Leiter 2a ist durch das Mittelloch des ringförmigen Eisenkernes 1a durchgeführt und ist mit einer Stromquelle und einer Last verbunden, wel­ che nicht gezeigt sind. In der Praxis sind zwei oder drei Leiter 2a vorgesehen, um einen Nullphasenstrom nachzuweisen unter Verwendung der Differenz zwischen den Strömen in den verschiedenen Leitern. Die Theorie bei Verwendung einer Mehr­ zahl von Leitern ist die gleiche wie die bei Nachweis eines Stromes in einem einzelnen Leiter. Dementsprechend ist nur der eine Leiter 2a in Fig. 1 gezeigt.

Der nachgewiesene Strom weist eine Richtung auf, die durch den Pfeil in Fig. 1 gezeigt ist, und weist einen Wert I₀ auf. Ferner ist eine Hochfrequenz- oder HF-Erregerspule 7 auf einen dicken Abschnitt des Eisenkernes 1a gewickelt und ist mit einer HF-Stromquelle 9 verbunden über einen Nachweiswi­ derstand 8, welcher einen kleineren Widerstandswert aufweist als der reaktive Impedanzwert des Eisenkernes. Ein HF-Erre­ gerstrom i fließt in der Richtung des gestrichelten Pfeiles. Ein Signal von dem Nachweiswiderstand 8 wird über Klemmen 1 und 2 entnommen, und ein Signal von der HF-Erregerspule 7 wird über Klemmen 2 und 3 entnommen. Die Klemme 2 ist eine gemeinsame Klemme für beide Signale.

Fig. 2 zeigt die magnetische Hysteresekurve des Eisenkernes 1a. Fig. 3 ist ein Magnetkennliniendiagramm, um die in Fig. 2 gezeigte Kurve annähernd linear auszudrücken. Fig. 4 ist ein Wellenformdiagramm des magnetischen Feldes und des HF-Er­ regerstromes. Fig. 5(a) und 5(b) sind Wellenformdiagramme des nachgewiesenen Stromes bzw. der Spannung zwischen den entgegengesetzten Enden des Nachweiswiderstandes 8.

Die Arbeitsweise des Verfahrens der Erfindung wird beschrie­ ben anhand der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, des Ma­ gnetkennliniendiagramms von Fig. 3 und der Wellenformdia­ gramme von Fig. 4, 5(a) und 5(b). Der Eisenkern 1a wird erregt durch die HF-Stromquelle 9, den Nachweiswiderstand 8 und die HF-Erregerspule 7, die in Fig. 1 gezeigt sind. Die Beziehungen zwischen der eingeprägten HF-Spannung E_H, der Magnetflußdichte B und dem Erregerstrom i in dem Eisenkern 1a werden durch die Gleichung (1) ausgedrückt.

Darin bedeuten:

E_H: eingeprägte HF-Spannung
i: HF-Erregerstrom
R: Nachweiswiderstand
N_H: Anzahl Windungen in der HF-Erregerspule
A_C: Magnetkreis-Querschnittsfläche
B: Magnetflußdichte
t: Zeit

Wenn die folgende Beziehung (2) hergestellt wird, verändert sich B nicht, obwohl eine Magnetfeld durch den Strom einer anderen Spule induziert werden kan, solange E_H konstant ist.

Die Beziehung zwischen dem Magnetfeld und dem elektrischen Strom wird durch Gleichung (3) ausgedrückt:

H_i = N_H (i/L) (3)

worin bedeuten:

H_i: durch HF-Erregerstrom verursachtes Magnetfeld
L: Magnetkreislänge

Zwecks leichter Beschreibung wird angenommen, daß die Magnet­ kreisbedingung gemäß Gleichung (4) hergestellt wird:

N_H = L (4)

Wenn Gleichung (4) gilt, kann dementsprechend Gleichung (3) umgeschrieben werden als Gleichung (5):

H_i = i (5)

worin die Anzahl Windungen eins beträgt, da der Leiter 2a durch das Mittelloch des Eisenkernes 1a durchgeführt ist.

Das durch den nachgewiesenen Strom I₀ induzierte Magnetfeld H₁ wird durch Gleichung (6) wiedergegeben:

H_i + I₀/L (6)

Nachfolgend wird ein Verfahren der Erfindung beschrieben un­ ter Bezugnahme auf das Magnetkennliniendiagramm von Fig. 3, das Wellenformdiagramm von Fig. 4 und auf der Grundlage der Beziehung zwischen den beiden Diagrammen. Zwecks einfacher Beschreibung wird der nachgewiesene Strom I₀ ersetzt durch I_D, wenn der nachgewiesene Strom ein Gleichstrom ist.

Wenn der in dem Leiter 2a fließende nachgewiesene Strom I_D Null ist, fällt der Nullpunkt des Magnetfeldes zusammen mit dem Nullpunkt des HF-Erregerstromes i, der in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Dementsprechend wird der Eisenkern 1a er­ regt innerhalb des Bereichs des HF-Erregerstromes zwischen i₁ und i₂, wie durch die ausgezogene Linie in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Die Wellenform des HF-Erregerstromes i verändert sich, wie durch die ausgezogene Linie in Fig. 4 gezeigt, so daß der HF-Erregerstrom i die fast konstanten Werte i₃ und i₄ in der Nachbarschaft der Koerzitivkraft des Eisenkernes 1a annimmt. Wenn der Magnetfluß in den Sättigungsbereich ein­ tritt, steigt der HF-Erregerstrom rasch auf die Werte i₁ und i₂ an.

Wenn ein positiver Gleichstrom I_D in dem Leiter 2a fließt und ein Magnetfeld I_D/L eingeprägt wird, wird die Hysteresekurve von Fig. 3, in welcher der HF-Erregerstrom i die Abszisse ist, zu der negativen Seite verschoben, wie durch die gestri­ chelte Linie in Fig. 3 gezeigt. Folglich nimmt der HF-Erre­ gerstrom i die Extremwerte i₅ und i₆ an, und der Strom i nimmt in den Nachbarschaft der Koerzitivkraft die Werte i₇, i₈ an, die Wellenform des Stromes i wird also durch die ge­ strichelte Linie in Fig. 4 gezeigt. Also weist das Magnet­ feld, bei welchem der nachgewiesene Strom I_D positiv ist, eine Wellenform auf, bei welcher der Nullpunkt zu der negati­ ven Seite verschoben ist um einen Betrag I_D/L, wie in Fig. 4 gezeigt. Also nimmt der Extremwert des HF-Erregerstromes i auf der positiven Seite zu (i₁ → i₅), und der Extremwert auf der negativen Seite nimmt ab (i₂ → i₆). Ferner nehmen die Ströme i₃ und i₄ entsprechend dem Strom in der Nachbarschaft der Koerzitivkraft auf i₇ bzw. i₈ ab. Wenn der Strom in dem Leiter 2a negativ ist, tritt das gleiche Phänomen auf, abge­ sehen davon, daß die Veränderungen des Magnetfeldes und des Stromes in der Richtung entgegengesetzt sind.

Die Fig. 5(a) und 5(b) zeigen die Veränderungen des nach­ gewiesenen Stromes bzw. der Wellenform, welche die Spannung zwischen den entgegengesetzten Enden des Nachweiswiderstandes 8 wiedergibt. Wenn der Gleichstrom I_D in dem Leiter 2a fließt, wie in Fig. 5(a) gezeigt, wird ein Spannungsabfall, der die gleiche Wellenform wie die der in Fig. 4 gezeigte HF-Erregerstrom i aufweist, zwischen entgegengesetzte Enden des Nachweiswiderstandes 8 erzeugt. Wenn der nachgewiesene Strom I_D Null ist, ist der HF-Erregerstrom i symmetrisch zu der positiven und der negativen Seite, wie zwischen t₁ und t₂ in Fig. 5(a) und 5(b) gezeigt. Wenn ein positiver nachgewie­ sener Strom I_D fließt, nimmt der positive Extremwert des HF- Erregerstromes zu, und der negative Extremwert (absoluter Wert) nimmt ab, wie zwischen t₂ und t₄ in Fig. 5(a) und 5(b) gezeigt. Wenn der nachgewiesene Strom I_D negativ ist, sind die Veränderungen in den Extremwerten umgekehrt, wie zwischen t₄ und t₅ in den Fig. 5(a) und 5(b) gezeigt. Umgekehrt wird der Wert des HF-Erregerstromes i in der Nachbarschaft der Koerzitivkraft zu der negativen Seite verschoben, wenn I_D positiv ist, wie in Fig. 4 gezeigt, und zu der positiven Seite, wenn I_D negativ ist. Dementsprechend kann der nachge­ wiesene Strom I_D berechnet werden aus den Werten des HF-Erre­ gerstromes i in der Nachbarschaft der Koerzitivkraft oder aus den Veränderungen der Extremwerte des HF-Erregerstromes. Wenn der nachgewiesene Strom ein Wechselstrom ist, kann der nach­ gewiesene Strom I_D im wesentlichen auf die gleiche Art be­ rechnet werden, wie oben beschrieben, abgesehen davon, daß das Phänomen schneller ist.

Diese Ausführungsform der Erfindung ist zwar beschrieben wor­ den auf der Grundlage der Veränderung in dem HF-Erregerstrom i und der resultierenden Veränderung der Spannung zwischen den entgegengesetzten Enden des Nachweiswiderstandes 8, der nachgewiesene Strom I_D kann aber auch aus dem zweiten Term in der rechten Seite von Gleichung (1) berechnet werden. Dieser Term gibt die Spannung zwischen den Klemmen 2 und 3 der HF- Erregerspule 7 wieder, weil E_H konstant ist.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Bestimmung des ermittelten Stromes I_D aus den Werten des HF-Erregerstromes i in der Nachbarschaft der Koerzitivkraft beschrieben. Es wird ein Verfahren zur Berrechnung des ermittelten Stromes I_D aus der Spannung an den entgegengesetzten Enden 1 und 2 des Nachweis­ widerstandes 8 beschrieben.

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild zur Beschreibung dieses Ver­ fahrens. Gleiche Bezugszeichen in den Fig. 1 und 6 be­ zeichnen gleiche Teile. In Fig. 6 sind ein Umkehrverstärker 10 und ein Tiefpaßfilter 11 mit den Enden des Nachweiswider­ standes 8 verbunden und führen eine Signalverarbeitung durch. Wenn die Wellenform des nachgewiesenen Stromes in Fig. 5(a) durch den Stromdetektor von Fig. 6 gemessen wird, wird die Umkehrverstärker-Ausgangswellenform von Fig. 7(a) erhalten. Die Wellenform wird so geformt, daß die Extremwerte der Span­ nung an dem Nachweiswiderstand 8, wie in Fig. 5(b) gezeigt, durch den Umkehrverstärker 10 als konstante Werte gesättigt werden. Wenn die in Fig. 7(a) gezeigte Spannung durch das Tiefpaßfilter 11 geleitet wird, nimmt das Ausgangssignal zu Fig. 5(a) proportionale Werte an, wie in Fig. 7(b) gezeigt. Also ist die Ausgangsspannung von dem Tiefpaßfilter 11 dem nachgewiesenen Strom I_D proportional.

Mehr im einzelnen sind die positiven und die negativen Werte des Ausgangssignals des Umkehrverstärkers 10 in Fig. 7(a) gezeigt. Wenn der nachgewiesene Gleichstrom I_D Null ist, ist das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 11 gleich Null, wie in Fig. 7(b) gezeigt. Wenn der nachgewiesene Gleichstrom I_D po­ sitiv ist, wird das Ausgangssignal des Umkehrverstärkers 10 zu der positiven Seite verschoben, wie in Fig. 7(a) gezeigt. Dieser Bereich von t₂ bis t₄ entspricht der Koerzitivkraft.

Dann wird das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 11 eine posi­ tive Spannung, wie zwischen t₂ und t₄ in Fig. 7(b) gezeigt, weil das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 11 durch die Dif­ ferenz zwischen den Absolutwerten der positiven und negativen Spannungen ausgdrückt wird. Wenn I_D negativ ist, werden die positiven und die negativen Spannungen umgekehrt. Daher kann eine dem nachgewiesenen Strom I_D proportionale Ausgangsspan­ nung von dem Tiefpaßfilter 11 erhalten werden.

Wenn der nachgewiesene Strom ein Wechselstrom ist, kann der Strom im wesentlichen auf die gleiche Art wie oben beschrie­ ben ermittelt werden, abgesehen davon, daß die Veränderungen der entsprechenden Werte schneller erfolgen. Gemäß dem Ver­ fahren der Erfindung kann ein kleiner Strom mit irgendeiner geeigneten Form, beispielsweise eine verzerrte Welle, eine Rechteckwelle und dergleichen, nachgewiesen werden, wie oben beschrieben.

Wie aus Fig. 3 und 4 ersichtlich, liegt der Bereich des Stromnachweises gemäß der Erfindung zwischen i₄ und i₂, wenn der nachgewiesene Strom I_D positiv ist, und zwischen i₃ und i₁, wenn der nachgewiesene Strom I_D negativ ist. Der Bereich kann jedoch geeignet festgelegt werden durch Veränderung der Windungszahl der HF-Erregerspule 7, des Nachweiswiderstands 8 oder der eingeprägten HF-Spannung E_H.

Es ist erforderlich, daß das Material des Eisenkernes 1a eine gute Hochfrequenzcharakteristik aufweist, weil der Eisenkern 1a durch eine hohe Frequenz erregt werden muß. Theoretisch ist es vorzuziehen, daß die Frequenz der HF-Erregerstrom­ quelle 9 hoch ist. In der Praxis muß die Frequenz unter Beachtung verschiedener Faktoren festgelegt werden. Diese umfassen Frequenzkomponenten des nachgewiesenen Stromes I_D, erforderliche Nachweisgenauigkeit, Frequenzcharakteristik des Eisenkernmaterials und dergleichen.

Das Verfahren zur Berechnung des nachgewiesenen Stromes I_D kann bestimmt werden aus der Veränderung der Spannung an den Klemmen 2 und 3 der HF-Erregerspule 7. Der nachgewiesene Strom kann auf die gleiche Art berechnet werden wie in dem obigen Fall, wo er von den Klemmen 1 und 2 des Nachweiswider­ stands 8 berechnet wird. Dementsprechend ist eine Beschrei­ bung dieses Verfahrens nicht erforderlich.

Nachfolgend wird ein zweites Stromnachweisverfahren beschrie­ ben. Dieses Verfahren berechnet den nachgewiesenen Strom I_D aus der Veränderung der Extremwerte des HF-Erregerstromes i. Fig. 8 ist ein Blockschaltbild zur Beschreibung dieses Ver­ fahrens. Gleiche Bezugszeichen in den Fig. 1 und 8 geben gleiche Teile wieder. Fig. 8 zeigt eine Einweg-Gleichrich­ terschaltung 12a zum Gleichrichten der niedrigen Spannung und der hohen Spannung durch einen Operationsverstärker und einen Gleichrichter. Der Einweggleichrichter 12a ist mit einer HF- Spitzenhalteeinrichtung 13a verbunden. Eine andere Kombina­ tion einer Einweg-Gleichrichterschaltung 12b und einer Spitzenhalteeinrichtung 13b ist in Reihe verbunden mit der ersteren Kombination des Einweggleichrichters 12a und der Spitzenhalteeinrichtung 13a. Beide sind an die entgegenge­ setzten Enden des Nachweiswiderstands 8 angeschlossen. Die Ausgänge von 13a und 13b sind mit einem Addierer 14 verbunden und führen die folgende Signalverarbeitung durch. Wenn Strom mit der in Fig. 5(a) gezeigten Wellenform durch das Gerät in Fig. 8 nachgewiesen wird, verändert sich die Spannung an den Enden des Nachweiswiderstands 8, wie in Fig. 5(b) gezeigt. Die Form der positiven und negativen Extremwerte der Aus­ gangsspannung sind in Fig. 9(a) eingezeichnet. Wenn von t₁ bis t₂ der nachgewiesene Strom I_D Null ist, weisen die posi­ tiven und negativen Werte des Ausgangssignals der HF-Spitzen­ halteeinrichtungen 13a und 13b die gleichen absoluten Werte auf, wie in Fig. 9(a) gezeigt. Das Ausgangssignal des Addie­ rers 14 ist dann Null, wie in Fig. 9(b) gezeigt. Wenn von t₂ bis t₄ der nachgewiesene Gleichstrom I_D positiv ist, nehmen der positive Wert der Spitzenhalteeinrichtung 13a und nega­ tive Wert der Spitzenhalteeinrichtung 13b zu, so daß das Aus­ gangssignal des Addierers 14 einen positiven Wert annimmt, wie in Fig. 9(b) gezeigt. Wenn von t₄ bis t₅ I_D negativ ist, nehmen die Ausgangssignale der Spitzenhalteeinrichtungen 13a und 13b ab, so daß das Ausgangssignal des Addierers einen ne­ gativen Wert annimmt. Also ist das Ausgangssignal des Addier­ rers 14 eine zu dem nachgewiesenen Strom I_D proportionale Spannung, wie in Fig. 9(b) gezeigt.

Wenn der nachgewiesene Strom ein Wechselstrom ist, kann der Strom im wesentlichen auf die gleiche Art wie bei Verwendung der Nachbarschaft der Koerzitivkraft nachgewiesen werden, ab­ gesehen davon, daß Änderungen der jeweiligen Werte in Fig. 5(a) und 5(b) schneller erfolgen. Der nachgewiesene Strom I_D kann auch berechnet werden durch die Veränderung der Spannung an den entgegengesetzten Enden der HF-Erregerspule 7 unter Verwendung dieses Verfahrens.

Das vorher beschriebene Stromnachweisverfahren ist insbeson­ dere wirksam zum Nullphasenstrom-Nachweis. Wenn das vorer­ wähnte Verfahren in einem Erdschluß-Trennschalter verwendet wird, besteht aber ein Problem, wenn die Last einen Erdkurz­ schluß bildet. Die Stromdetektoren der Fig. 1, 6 und 8 sind geeignet zum Stromnachweis eines relativ kleinen Stro­ mes, aber sind ungeeignet zum Nachweis eines relativ großen Stromes. Wenn der in den Detektor fließende Strom so groß ist, daß der Detektor ihm nicht folgen kann, tritt der Ma­ gnetfluß des Eisenkernes in den Sättigungsbereich ein und macht den Nachweis unmöglich, da die positiven und negativen Werte des HF-Erregerstromes übermäßig werden. Dementsprechend gibt es kein Problem, wenn die oben erwähnten Detektoren in einem Erdschluß-Trennschalter innerhalb seines gewöhnlichen Fehlerstrombereichs verwendet werden. Der Stromnachweis ist jedoch unmöglich, wenn ein großer Strom durch einen Erdkurz­ schluß oder dergleichen erzeugt wird.

Nachfolgend wird ein Stromnachweisverfahren beschrieben, bei welchem ein großer Strom durch eine Erdschlußstörung oder dergleichen erzeugt wird. Fig. 10 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, welche geeignet arbei­ tet, wenn ein momentaner großer Strom wie zum Beispiel ein Erdschlußstrom auftritt. Gleiche Bezugszeichen in den Fig. 1, 6, 8 und 10 geben gleiche Teile wieder. In Fig. 10 kann ein gewöhnlicher Erdschluß mit kleinem Strom nachgewiesen werden durch das Nachweisverfahren, das anhand von Fig. 6 beschrieben worden ist und auch hier gezeigt ist. Der Ausgang des "Kleinstrom"-Nachweises ist mit einer Ausgangssynthese­ schaltung 15 verbunden. Ein großer Strom, der durch einen Erdkurzschluß oder dergleichen veranlaßt wird, kann nachge­ wiesen werden durch die in Fig. 10 gezeigte zusätzliche Schaltung. Fig. 10 zeigt einen Zweiweggleichrichter 16a und ein Glättungselement 17a, das zwischen den Nachweiswiderstand 8 und einen Wellenformkomparator 18 geschaltet ist. Ein Span­ nungsteiler 19 zum Entnehmen der Spannung der HF-Erreger­ stromquelle 9, ein Zweiweggleichrichter 16b und ein Glät­ tungselement 17b sind mit dem Wellenformkomparator 18 verbun­ den. Der Wellenformkomparator 18 ist mit der Ausgangssynthe­ seschaltung 15 verbunden.

Fig. 11(a) zeigt die Veränderung des nachgewiesenen Stromes I_D mit der Zeit. Fig. 11(b) zeigt die Veränderung der Span­ nung zwischen den entgegengesetzten Enden des Nachweiswider­ stands 8 mit der Zeit. Diese ist analog der Veränderung des HF-Erregerstromes i mit der Zeit. In den Fig. 11(a) und 11(b) ist eine kleine Veränderung in dem nachgewiesenen Strom zwischen t₆ und t₈ gezeigt. Dies ist das gleiche wie in den Fig. 5(a) und 5(b). Wenn der nachgewiesene Strom bei t₈ in den Fig. 11(a) und 11(b) sehr groß wird, nähert sich die Flußdichte des Eisenkernes 1a dem Sättigungsgebiet. Der Be­ reich der Veränderung in der Flußdichte nimmt dann ab. Folg­ lich vermindert sich der Wert des zweiten Terms in der rech­ ten Seite von Gleichung (1), so daß der HF-Erregerstrom i annähernd durch Gleichung (7) ausgedrückt wird. Der HF-Erre­ gerstrom wird also ausgedrückt als eine Sinuswelle mit großen positiven und negativen Werten, welche symmetrisch zu der Null-Linie sind, wenn der Erregerstrom eine HF-Stromquellen­ welle ist.

i = E_H/R (7)

Da das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 11 ausgedrückt wird als die Summe der positiven und negativen Werte des HF-Erre­ gerstromes i, der Differenz zwischen den absoluten Werten der positiven und negativen Werte, wird das Ausgangssignal nahezu Null nach t₈ in den Fig. 11(a) und 11(b). Der nachgewie­ sene Strom kann dann nicht gemessen werden. Die Schaltkreise, welche eine Zunahme der positiven und negativen Werte des HF- Erregerstromes i in der "Großstrom"-Seite nachweisen, sind der mittlere Schaltkreis 16a - 17a - 18 - 15 und der untere Schaltkreis 19 - 16b - 17b - 18 - 15 in Fig. 10. Wenn ein großer Strom auftritt, sollte in der Kleinstromseite kein Ausgangssignal erzeugt werden. Daher ist der Zweiweggleich­ richter 16a in dem mittleren Schaltkreis vorgesehen, um die Ausgabe des Spannungsabfalls zu verhindern, der durch den HF- Erregerstrom i bewirkt wird. Ferner wird durch das Glättungs­ element 17a der Einfluß des Impulsanteils des HF-Erregerstro­ mes vermindert, welcher in der Kleinstromseite auftritt.

Der untere Schaltkreis ist vorgesehen, um eine Bezugsspannung zu erzeugen. In der Großstromseite ist es erforderlich, daß die Bezugsspannung einen Wert von weniger als E_H aufweist. Eine kleine Veränderung in der Flußdichte des Eisenkernes 1a und der in dem Nachweiswiderstand 8 erzeugte resultierende Spannungsabfall müssen berücksichtigt werden. Die Bezugsspan­ nung wird durch den Frequenzteiler 19, den Zweiweggleichrich­ ter 16b und das Glättungselement 17b erzeugt.

Wenn der nachgewiesene Strom I_D klein ist, ist das Ausgangs­ signal des Glättungselementes 17a klein. Wenn der nachgewie­ dene Strom I_D groß ist, ist der Änderungsbereich der Fluß­ dichte in dem Eisenkern 1a vermindert, so daß das Ausgangs­ signal des Glättungselementes 17a zunimmt und das Ausgangs­ signal des Wellenformkomparators 18 erzeugt. Es ist daher notwendig, daß die Bezugsspannung des Glättungselementes 17b hergestellt wird, um das Ausgangssignal des Wellenformkompa­ rators 18 zu erzeugen. Die Ausgangssyntheseschaltung 15 sen­ det das größere der beide Eingangssignale von der Klein­ strom-Nachweisseite von dem Tiefpaßfilter 11 und der Groß­ strom-Nachweisseite von dem Wellenformkomparator 18.

Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen dem nachgewiesenen Strom und der Ausgangsspannung. Die ausgezogene Kurve a gibt das Ausgangssignal der Nachweisschaltung der Kleinstromseite (Tiefpaßfilter 11) wieder, und die gestrichelte Linie b gibt das Ausgangssignal der Nachweisschaltung der Großstromseite (Wellenformkomparator 18) wieder. Da die Ausgangssynthese­ schaltung 15 den größeren der beiden Ausgangswerte des Kompa­ rators 18 aussendet, kann das Ausgangssignal ohne Schwierig­ keit erzeugt werden, obwohl momentan ein großer Strom fließt, der durch einen Erdkurzschluß oder dergleichen verursacht wird. Mit einem Fehlerstromdetektor kann ein Stromnachweis erzielt werden, indem einfach die Tatsache nachgewiesen wird, daß ein Strom fließt. Es ist nicht erforderlich, daß der Wert des Stromes in der Großstromseite ermittelt wird. Das Ziel des Fehlerstromdetektors kann ausreichend erzielt werden, wenn die Kennlinie erhalten wird, die in Fig. 12 gezeigt ist.

Die Bezugsspannung kann erzeugt werden unter Verwendung einer getrennt vorgesehenen Gleichstromquelle, wie in Fig. 13 gezeigt. Fig. 13 ist ein Blockschaltbild einer solchen Ausführungsform der Erfindung. Der Schaltkreis, der den Spannungsteiler 19, den Zweiweggleichrichter 16b und das Glättungselement 17b umfaßt, wie in Fig. 10 gezeigt, wird durch die Gleichstromquelle 20 ersetzt. Der in Fig. 10 be­ schriebene Großstromseiten-Nachweis kann für diese Ausfüh­ rungsform der Erfindung im wesentlichen auf die gleiche Art vorgenommen werden. Dementsprechend ist eine Beschreibung dieser Elemente nicht erforderlich.

Der Aufbau und die Betriebsweise verschiedener Ausführungs­ formen eines Wechselstrom/Gleichstromdetektors gemäß der Er­ findung sind beschrieben worden. Nachfolgend wird anhand der Fig. 6 ein praktisches Beispiel einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Eisenkern 1a wurde zubereitet durch Wickeln eines dünnen Bandes einer amorphen Legierung der Zusammensetzung

82 Co-2 Ni-4.5 Fe-8.5 Si-3 B,

um einen ge­ wickelten zylindrischen Eisenkern zu bilden. Der Wickelkern wurde einer Wärmebehandlung unterworfen und an einem Plastik­ gehäuse angebracht. Die amorphe Legierung hatte eine ausge­ zeichnete magnetische Charakteristik für Gleichstrom und Hochfrequenz. Ferner war die magnetische Verzerrung der amor­ phen Legierung klein, so daß der Einfluß von Beanspruchung auf die magnetische Charakteristik klein war. Dementsprechend war die amorphe Legierung leicht zu handhaben und war zur Verwendung als Eisenkern 1a geeignet. Die Abmessungen des Ei­ senkernes 1a wurden so gewählt, daß sie 13 mm bei dem Außen­ durchmesser, 10 mm bei dem Innendurchmesser und 2 mm bei der Höhe betrug. Ein Kupferdraht von 1 mm Durchmesser wurde als Leiter 2a verwendet. Eine Hochfrequenz-Erregerspule 7 wurde zubereitet durch Wickeln von neunzig Windungen von Kupfer­ draht von 0,1 mm Durchmesser auf einen dicken Abschnitt des Eisenkernes 1a. Da der in der HF-Erregerspule 7 fließende Strom klein war, war es ausreichend, einen dünnen Kupferdraht zu verwenden. Der Umkehrverstärker 10 hatte einen Verstär­ kungsfaktor 10 und einen Sättigungspunkt ±/12 V. Das Tiefpaß­ filter 11 umfaßte zwei Filter mit einer Grenzfrequenz von 1 kHz. Die HF-Erregerstromquelle 9 umfaßte eine Rechteckwellen- Erzeugungsschaltung (IC), welche eine Frequenz von 10 kHz und eine Spannung von etwa 6 V erzeugte.

Die Beziehung zwischen dem nachgewiesenen Strom und der durch Gleichstromnachweis in diesem Beispiel erhaltenen Ausgangs­ spannung ist in Fig. 14 gezeigt. In Fig. 14 werden die Aus­ gangskennlinien a, b und c erhalten, wenn die Werte des Nach­ weiswiderstands 8 500, 200 bzw. 100 Ω betragen. Die Mindest­ werte des Stromes, welche nachgewiesen werden können, betra­ gen etwa 1 mA, 2 mA und 5 mA in den Zuständen a, b bzw. c. Aus Fig. 14 geht hervor, daß die Kennlinien eine ausgezeich­ nete Linearität besitzen. Es können auch die positiven und negativen Werte des Stromes nachgewiesen werden, und es kann eine große Ausgangsspannung erhalten werden.

Fig. 15 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwi­ schen dem Effektivwert des nachgewiesenen Stromes und dem Effektivwert der Ausgangsspannung zeigt, falls eine Sinus­ welle mit einem Strom von 50 Hz nachgewiesen wird, wenn der Nachweiswiderstand 500 Ω beträgt. Zum Vergleich ist in Fig. 15 eine Ausgangskennlinie eingetragen, die durch das in Fig. 19 gezeigte herkömmliche Gerät erhalten wird. In Fig. 15 zeigt die ausgezogene Linie die Kennlinie gemäß der Erfin­ dung, und die gestrichelte Linie zeigt die Kennlinie nach dem Stand der Technik. In dem Stand der Technik umfaßte der Eisenkern 1 Permalloy (Handelsmarke). Er war in der Größe gleich dem Eisenkern der Erfindung. Die Windungszahl in der Nachweisspule 3 wurde auf 500 festgelegt, um einen Verstär­ kungsfaktor 10 zu erhalten. Aus Fig. 15 geht hervor, daß die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Ausgangsspan­ nung etwa doppelt so groß ist wie bei dem herkömmlichen Ver­ fahren. Es ist auch ersichtlich, daß ein Strom, der eine Überlagerung eines Gleichstromes und eines Wechselstromes um­ faßt, durch ein Verfahren der Erfindung nachgewiesen werden kann.

Obwohl in dieser Ausführungsform die HF-Stromquelle 9 eine Rechteckwelle erzeugte, kann jede geeignete Welle wie zum Beispiel eine Sinuswelle, eine Dreieckwelle oder dergleichen in der Erfindung verwendet werden. Ferner hat die Ausfüh­ rungsform den Einfluß des HF-Erregerstromes i vermindert gezeigt durch Sättigen seines Extremwertes mit dem Umkehrver­ stärker 10. Der Umkehrverstärker 10 kann jedoch entfernt wer­ den, solange der Erregungszustand geeignet hergestellt werden kann. Dies rührt daher, daß der Strommittelwert in diesem pulsierenden Anteil ausreichend klein ist, so daß er vernach­ lässigt werden kann im Vergleich zu dem Strommittelwert in der Nachbarschaft der Koerzitivkraft. Falls der Umkehrver­ stärker 10 entfernt ist, ist die Beziehung zwischen der Rich­ tung des nachgewiesenen Stromes I_D und der Richtung der Aus­ gangsspannung umgekehrt. Dies ist in der praktischen Verwen­ dung kein Problem, da die Richtung des nachgewiesenen Stromes und die Richtung der Ausgangsspannung neu eingestellt werden können durch Umkehr der Richtung beider Leiter 2a und der Wicklungsrichtung der HF-Erregerspule 7.

Nachfolgend wird anhand von Fig. 8 ein praktisches Beispiel beschrieben, welches das zweite Verfahren der Erfindung ver­ wendet. Der benutzte Eisenkern 1a war der gleiche wie bei dem ersten Verfahren. Die HF-Erregerstromquelle 9 erzeugte eine Frequenz von 10 kHz (Rechteckwelle) und eine Spannung von etwa 6 V. Die Einweggleichrichter 12a und 12b wurden mit Operationsverstärkern kombiniert, um jeglichen Einfluß durch elektrischen Eigenwiderstand der Gleichrichter zu vermeiden und damit eine ideale Gleichrichterschaltung zu erhalten. Der Addierer 14 umfaßte eine Schaltung, welche negative und posi­ tive Komponenten einem Differentialverstärker zuführte, nach­ dem sie nur die negative Komponente durch eine integrierte Schaltung invertiert hat.

Die Beziehung zwischen dem nachgewiesenen Strom und der durch den Gleichstromnachweis erhaltenen Ausgangsspannung in dem zweiten Beispiel ist in Fig. 16 gezeigt. Aus Fig. 16 geht hervor, daß die Kennlinie eine ausgezeichnete Linearität be­ sitzt. Es können auch die positiven und negativen Werte des Stromes ermittelt werden, und es kann eine große Ausgangs­ spannung erhalten werden.

Fig. 17 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwi­ schen dem Effektivwert des nachgewiesenen Stromes und dem Ef­ fektivwert der Ausgangsspannung zeigt, falls eine Sinuswelle mit einem Strom von 50 Hz nachgewiesen wird durch das Verfah­ ren gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Zum Ver­ gleich ist eine Ausgangskennlinie in Fig. 17 gezeigt, die durch das in Fig. 19 gezeigte herkömmliche Gerät nach dem Stand der Technik erhalten wird. In Fig. 17 zeigt die ausge­ zogene Linie die Kennlinie gemäß der Erfindung, und die ge­ strichelte Linie zeigt die Kennlinie gemäß dem Stand der Technik. Aus Fig. 17 geht hervor, daß die durch dieses erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Spannung um etwa das Fünfzigfache erhöht wird im Vergleich zu der Ausgangsspan­ nung, die durch das Verfahren nach dem Stand der Technik erhalten wird. Es leuchtet auch ein, daß ein Strom, der eine Überlagerung eines Gleichstromes und eines Wechselstromes um­ faßt, durch dieses Verfahren nachgewiesen werden kann.

Obwohl das Kleinstrom-Nachweisverfahren gemäß der Erfindung beschrieben worden ist für den Fall, daß ein Leiter verwendet wird, versteht es sich, daß das Verfahren angewendet werden kann auf Nullphasen-Detektoren zum Nachweis eines Differenz­ stromes zwischen zwei oder drei Leitern, und daß die Größe des Ermittlungsgerätes erstrebenswert vermindert werden kann durch Anwendung des Verfahrens der Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik.

Fig. 18 ist ein Kennliniendiagramm, das die Kleinstromsei­ ten-Ausgangsspannung und die Großstromseiten-Ausgangsspannung zeigt, die durch das Gerät in Fig. 10 gemessen werden, wel­ ches in einem Erdschluß-Trennschalter verwendet wird. Die Kennlinien des Eisenkernes und die Schaltung sind die glei­ chen wie oben beschrieben (Fig. 14).

In Fig. 18 gibt die Kennlinie a das Ausgangssignal der Kleinstromseiten-Nachweisschaltung wieder, und die Kennlinie b gibt das Ausgangssignal der Großstromseiten-Nachweisschal­ tung wieder. Das Ausgangssignal der Ausgangssyntheseschaltung 15 ist das größere der beiden Ausgangssignale des Komparators 18. Falls die Erfindung auf einen Erdschluß-Trennschalter mit einer Betriebsempfindlichkeit von 20 mA angewendet wird, muß die Ausgangsspannung in dem Strombereich von 20 mA oder mehr immer größer sein als die Bezugsausgangsspannung E₂₀ bei 20 mA. In diesem Beispiel wird jedoch die Ausgangsspannung a der Kleinstrom-Nachweisseite kleiner als die Bezugsausgangsspan­ nung, wenn der Strom 3 A oder mehr beträgt. Die Großstrom- Nachweisschaltung ist dafür vorgesehen, dies zu kompensieren. In diesem Beispiel liegt der Strombereich, welcher ein Groß­ stromseiten-Ausgangssignal erzeugt, zwischen 200 und 3000 mA. Zwecks Zuverlässigkeit wird der Stromwert der Großstromseite so eingestellt, daß er beträchtlich größer ist als der Strom­ wert des Extrems der Kleinstromseite (200 bis 300 mA in die­ sem Fall). Der Bereich des Ausgangssignals der Nachweisschal­ tung für den großen Strom kann geeignet eingestellt werden, indem der in Fig. 10 gezeigte Spannungsteiler 19 geeignet eingestellt wird.

In einem Verfahren gemäß der Erfindung werden eine Großstrom- Nachweisschaltung und eine Kleinstrom-Nachweisschaltung kom­ biniert verwendet, wie oben beschrieben. Falls die Klein­ strom-Nachweisschaltung dem momentanen Fluß eines großen Stromes in Vorrichtungen wie einem Unterbrecher, einem Relais oder dergleichen nicht folgen kann, müssen diese Vorrichtun­ gen betätigt werden durch Nachweis des Stromes durch die Großstrom-Nachweisschaltung. Gemäß der Erfindung kann ein großer Strom auch unabhängig ermittelt werden, wenn die Groß­ strom-Nachweisschaltung ohne die Kleinstrom-Nachweisschaltung verwendet wird.

Früher konnte ein kleiner Strom wie zum Beispiel ein Nullpha­ senstrom nur nachgewiesen werden, wenn es ein Wechselstrom war, so daß der Strom in Gleichstrom-Erdschluß-Trennschaltern nicht nachgewiesen werden konnte. Gemäß der Erfindung wird ein Strom durch die folgenden Schritte ermittelt: Ein Eisen­ kern wird durch eine hohe Frequenz erregt, um seine Koerzi­ tivkraft zu überschreiten. Die Veränderung des HF-Erreger­ stromes wird von dem Spannungsabfall an einem Nachweiswider­ stand entnommen oder von der Spannungsveränderung an einer HF-Erregerspule. Der Wert des HF-Erregerstromes in der Nach­ barschaft der Koerzitivkraft oder der Extremwert des HF-Erre­ gerstromes wird verändert durch ein magnetisches Feld, das durch einen nachgewiesenen Strom induziert wird, welcher in einem Leiter fließt, der durch das Mittelloch eines Eisen­ kernes hindurchgeht. Zwischen der Ausgangsspannung und dem nachgewiesenen Strom ist eine gute Linearität gezeigt, so daß ein kleiner Wechselstrom, ein kleiner Gleichstrom oder ein kleiner Strom in der Form einer Überlagerung eines Gleich­ stromes und eines Wechselstromes nachgewiesen werden können. Zusätzlich zu herkömmlichen Wechselstromvorrichtungen können Gleichstrom-Erdschluß-Trennschalter erzeugt werden, ohne sie zu vergrößern. Ferner kann gemäß der Erfindung, falls ein kleiner Wechselstrom nachgewiesen wird, eine relativ große Ausgangsspannung erhalten werden im Vergleich zu dem Verfah­ ren nach dem Stand der Technik. Dementsprechend besitzen Steuerschaltungen, Unterbrechungsschaltungen und dergleichen, die eine Ausgangsspannung verwenden, einen vereinfachten Auf­ bau. Ferner wird die Ausgangsspannung herkömmlicher Erd­ schluß-Trennschalter klein, wenn ein sehr großer Erdschluß­ strom (ground earth leakage current) fließt, so daß ein Unterbrecher nicht betätigt werden kann. Im Gegensatz dazu kann erfindungsgemäß der Vorrichtung eine Schaltung zugefügt werden, um diese Störung zu verhindern, um die unterbrechbare Ausgangsspannung selbst in der Großstromseite aufrechtzuer­ halten. Die Erfindung schafft also ein Verfahren zum Nachweis eines Wechselstromes sowie eines Gleichstromes in einem wei­ ten Bereich, von einem kleinen Stromwert zu einem großen Stromwert.

Dem Fachmann leuchtet es ein, daß verschiedene Abwandlungen und Veränderungen an dem Wechselstrom/Gleichstrom-Nachweis­ verfahren vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen oder Gedanken der Erfindung abzuweichen, und es ist beabsichtigt, daß die Erfindung die Abwandlungen und Variationen des Systems abdeckt, vorausgesetzt, daß sie innerhalb des Rahmens der Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen.

Claims (4)

1. Wechselstrom/Gleichstrom-Nachweisverfahren, unter Verwendung eines ringförmigen Eisenkernes, der aus einem Material hoher Permeabilität mit einer Rechteck-Hysterese­ kurve besteht, einer auf einen Abschnitt des ringförmigen Eisenkernes gewickelten Erregerspule, die durch einen Erregerstrom erregt wird, welcher durch eine HF-Stromquelle erzeugt wird, einer Erregerschaltung, die zwischen die Erregerspule und die HF-Stromquelle geschaltet ist, eines mit der Erregerschaltung verbundenen Nachweiswiderstandes und eines Leiters, der durch das Mittelloch des ringförmigen Eisenkernes hindurchgeht, gekennzeichnet durch die Schritte,
daß der Eisenkern einer Erregung in dem positiven Bereich und in dem negativen Bereich mit der gleichen Bedingung unterwor­ fen wird, so daß die Magnetisierung des ringförmigen Eisen­ kernes in einem Gebiet oberhalb des Koerzitivkraftgebietes der magnetischen Hysteresekurve liegt,
daß der Magnetisierungsbereich der Hysteresekurve verschoben wird, um eine Veränderung des Wertes des Erregerstromes in der Nachbarschaft der Koerzitivkraft zu bewirken in Reaktion auf eine Einprägung eines Magnetfeldes, das durch einen in dem Leiter fließenden nachgewiesenen Strom induziert wird,
daß die Veränderung des Wertes des HF-Erregerstromes entweder als eine Spannungsänderung an dem Nachweiswiderstand oder eine Spannungsänderung an der Erregerspule erhalten wird, und
daß der nachgewiesene Strom berechnet wird durch die Dif­ ferenz zwischen den Absolutwerten der positiven und negativen Spannungswerte, die in dem Schritt zum Erhalten der Verände­ rung erhalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verschiebung des Magnetisierungsbereichs der Hystere­ sekurve der nachgewiesene Strom innerhalb der Sättigungsgren­ zen der Magnetflußdichte des ringförmigen Eisenkernes liegt.

3. Wechselstrom/Gleichstrom-Nachweisverfahren, unter Verwendung eines ringförmigen Eisenkernes, der aus einem Material hoher Permeabilität mit einer Rechteck-Hysterese­ kurve besteht, einer auf einen Abschnitt des ringförmigen Eisenkernes gewickelten Erregerspule, die durch einen Erregerstrom erregt wird, welcher durch eine HF-Stromquelle erzeugt wird, einer Erregerschaltung, die zwischen die Erregerspule und die HF-Stromquelle geschaltet ist, eines mit der Erregerschaltung verbundenen Nachweiswiderstandes und eines Leiters, der durch das Mittelloch des ringförmigen Eisenkernes hindurchgeht, gekennzeichnet durch die Schritte,
daß der Eisenkern einer Erregung in dem positiven Bereich und in dem negativen Bereich mit der gleichen Bedingung unterwor­ fen wird, so daß die Magnetisierung des ringförmigen Eisen­ kernes in einem Gebiet oberhalb des Koerzitivkraftgebietes der magnetischen Hysteresekurve liegt,
daß der Magnetisierungsbereich der Hysteresekurve verschoben wird, um eine Veränderung eines Extremwertes des Erregerstro­ mes zu bewirken in Reaktion auf eine Einprägung eines Magnet­ feldes, das durch einen in dem Leiter fließenden nachgewiese­ nen Strom induziert wird,
daß die Veränderung des Wertes des HF-Erregerstromes entweder als eine Spannungsänderung an dem Nachweiswiderstand oder eine Spannungsänderung an der Erregerspule erhalten wird, und
daß der nachgewiesene Strom berechnet wird durch die Differenz zwischen den Absolutwerten der positiven und negativen Spannungswerte, die in dem Schritt zum Erhalten der Veränderung erhalten werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verschiebung des Magnetisierungsbereichs der Hysterekurve der nachgewiesene Strom innerhalb der Sätti­ gungsgrenzen der Magnetflußdichte des ringförmigen Eisen­ kernes liegt.