DE4215184A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erfassung von Differenzströmen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren zur Erfassung von Differenzströmen. Ein derartiges Verfahren liegt im allgemeinsten Sinn Fehlerstromschutzschaltern zur netzspannungsunabhängigen Erfassung von Fehlerströmen und Differenzstromschutzschaltern zur netzspannungsabhängigen Erfassung von Fehlerströmen zugrunde. Üblicherweise wird an einem Summenstromwandler, der den bei einem Ungleichgewicht der hin- und rückfließenden Ströme auftretenden Magnetfluß in einem Ringkern durch die Spannung in einer Sekundärwick­ lung erfaßt, die ein Auslöserelais zum Ansprechen bringen kann. Nach diesem Prinzip können Fehlerstrom(FI)- und Differenzstrom(DI)-Schutzschalter gebaut werden.

Auf langsam ansteigende glatte Gleichdifferenzströme können FI- und DI-Schalter, die nach dem Induktionsprinzip arbeiten, nicht ansprechen, da glatte Gleichdifferenzströme keinen zeitlich veränderlichen Fluß im Summenstromwandler erzeugen. Die Auslöseeinrichtung kann dann nicht ansprechen. Glatte Gleichdifferenzströme bewirken außerdem eine Vormagnetisie­ rung des Summenstromwandlers, die schon bei sehr kleinen Gleichdifferenzströmen zu einem unempfindlich werden des Summenstromwandlers für Wechselfehlerströme und pulsierende Fehlerströme führt. Der parallele Einsatz von FI- bzw. DI- Schutzschaltern, die auf die Erfassung von Gleichfehler­ strömen bzw. von Wechselfehlerströmen und pulsierenden Fehlerströmen jeweils spezialisiert sind, ist in der Praxis nur unter besonderen Vorkehrungen für einen gleichartigen Empfindlichkeitsbereich möglich (EP-A-0 349 880).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung von Differenzströmen nach einem anderen Weg zu finden.

Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt durch ein Ver­ fahren nach Patentanspruch 1. Danach wird einem Ringkern nach Art eines Summenstromwandlers aus weichmagnetischem Material, durch den man die zu überwachenden Leiter hindurch­ führt, ein Medium zugeordnet, in dem ein bei Fehlerstrom auftretender magnetischer Fluß direkt oder indirekt eine flußabhängige Zustandsänderung bewirkt. Diese Zustandsän­ derung wird ausgewertet. Ausgenommen sind hier Sekundär­ wicklungen herkömmlicher Art. Unter Zuordnung wird eine derartige Anordnung verstanden, daß das Medium der Wirkung des magnetischen Flusses ausgesetzt wird. Durch eine ge­ eignete Vormagnetisierung des Ringkerns kann der Arbeits­ punkt in geeigneter Weise so eingestellt werden, daß beid­ seits des Arbeitspunktes ein näherungsweise linearer Kenn­ linienberich genutzt wird. Bei einem derartigen Verfahren bleibt die Empfindlichkeit für Wechselfehlerströme auch bei auftretenden Gleichfehlerströmen und entsprechendem Auswan­ dern des Arbeitspunktes erhalten.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann so aus­ sehen, daß der Ringkern mit einem Luftspalt versehen ist, in dem ein magnetoresitiver Sensor, beispielsweise eine Feld­ platte, angeordnet ist, an die eine eingeprägte Stromquelle angeschlossen ist, im einzelnen nach Patentanspruch 2. Die Spannung am magnetoresitiven Sensor wird hierbei von einer Auswerteeinrichtung abgegriffen und oberhalb eines vorbe­ stimmten Schwellwerts als Auslösesignal einer Auslöseein­ richtung zugeführt. Der Ringkern steht im Einwirkungsbe­ reich einer Einrichtung zur Gleichfeld-Vormagnetisierung.

Im Prinzip könnte der Ringkörper auch aus magnetostriktivem Material ausgeführt werden, wobei auf dem Ringkörper zumin­ dest über einem Ringbereich Leiterbahnen aus längenabhängi­ gem Widerstandsmaterial aufgebracht werden. Bei hieran ange­ legter bestimmter Spannung, Meßspannung genannt, liefert der zugeordnete Strom ein Maß für den Fehlerstrom. Der Arbeits­ punkt kann wieder über eine Vormagnetisierung eingestellt werden. In der Praxis ist es bei den derzeitigen zur Ver­ fügung stehenden Materialien günstiger, Feldplatten in einem Luftspalt nach Anspruch 2 anzuordnen.

Zur Durchführung des Verfahrens kann an einem magnetoresis­ tiven Sensor, beispielsweise einer Feldplatte, auch eine eingeprägte Spannungsquelle angeschlossen werden, wobei die durch die Widerstandsänderung des Sensors unterschiedlichen Ströme an einem Widerstand, Meßwiderstand genannt, zu unter­ schiedlicher Spannung führen. Diese kann von einer Auswerte­ einrichtung abgegriffen werden. Oberhalb eines vorbestimmten Schwellwerts kann ein Auslösesignal einer Auslöseeinrichtung zugeführt werden, im einzelnen nach Patentanspruch 3. Der Ringkern steht wieder im Einwirkungsbereich einer Einrich­ tung zur Gleichfeldvormagnetisierung, um den Arbeitspunkt so einzustellen, daß eine näherungsweise lineare Kennlinie ge­ nutzt wird.

Die Erfindung soll nun anhand von in der Zeichnung grob schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher er­ läutert werden:

In Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens veranschaulicht.

In Fig. 2 ist ein Diagramm dargestellt, in dem Kennlinien für den magnetoresistiven Sensor wiedergegeben sind. Aufgrund der Gleichfeldvormagnetisierung des Ringkerns kann der Arbeitspunkt in einen in etwa linearen Bereich der Kennlinien verlegt werden. Auf der Abszisse ist die magnetische Induktion B in Tesla, T, und auf der Ordinate, der Widerstand im magnetoresistiven Sensor R, in kOhm, abgetragen. Durch die Gleichfeldvormagnetisierung kann der Arbeitspunkt in einen näherungsweise linearen Bereich verlegt werden.

In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel für eine Ein­ richtung zur Erfassung von Differenzströmen wieder­ gegeben.

In Fig. 4 ist der Aufbau eines Schutzschalters aus einem spe­ zialisierten Schutzschalter zur Erfassung von Wech­ selfehlerströmen und pulsierenden Fehlerströmen mit einer spezialisierten Einrichtung zur Erfassung von glatten Gleichfehlerströmen und von Gleichstromantei­ len aus pulsierenden Fehlerströmen veranschaulicht.

Das Verfahren zur Erfassung von Differenzströmen arbeitet mit einem Ringkern 1 nach Fig. 1 nach Art eines Summenstrom­ wandlers, aus weichmagnetischem Material, durch den die zu überwachenden Leiter 2, beispielsweise L1, L2, L3 und N, ge­ führt sind. Dem Ringkern 1 ist ein Medium 3 zugeordnet, im Ausführungsbeispiel eine Feldplatte, die in einem Luft­ spalt des Ringkerns 1 angeordnet ist. Bei einem Fehlerstrom, also bei einem Ungleichgewicht der hin und rückfließenden Ströme, tritt im Ringkern 1 ein magnetischer Fluß auf, der direkt oder indirekt - im Ausführungsbeispiel direkt - eine flußabhängige Zustandsänderung im Medium 3 bewirkt. Bei einer Feldplatte als magnetoresistivem Sensor ändert sich mit der magnetischen Induktion der elektrische Widerstand, der durch eine geeignete Schaltung, beispielsweise nach Fig. 1, ausgewertet werden kann. Der Arbeitspunkt des Mediums 3 kann über eine Einrichtung 4 zur Gleichfeldvormagnetisie­ rung eingestellt werden, wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist. Dort ist auf der Abszisse die magnetische Induktion B in Tesla, und auf der Ordinate der ohmsche Widerstand R, in kOhm, aufgetragen. Der Arbeitspunkt 5 wird so eingestellt, daß beidseits in einem näherungsweise linearen Kennlinien­ bereich 6 gearbeitet wird.

Zur Auswertung der Widerstandsänderung in der Feldplatte als Medium 3 nach Fig. 1 eignet sich eine eingeprägte Stromquelle, die durch einen Verstärker 7 und ein nahezu leistungslos steuerbares elektronisches Ventil 8, ein Feldeffekttransis­ tor, in einer Schaltungsanordnung nach Fig. 1 gebildet wird. Bei konstantem Strom der Stromquelle führt die Widerstands­ änderung in der Feldplatte als Medium 3 zu einer entsprechen­ den Spannungsänderung, die von einer Auswerteelektronik 9 ausgewertet wird. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwell­ werts wird ein Auslösesignal einem Auslöserelais 10 zugeführt, wie es bei FI- und DI-Schutzschaltern geläufig ist.

Bei einem Medium 3 und Ringkern 1 nach Fig. 3, die den Bau­ elementen nach Fig. 1 entsprechen können, läßt sich die elek­ trische Widerstandsänderung im Medium 3 auch in anderer Weise, beispielsweise mit einer Konstantspannungsquelle nach Fig. 3, auswerten. Hierbei wird die Spannung an der magneto­ resistiven Feldplatte als Medium 3 durch eine geeignete Regelelektronik konstant gehalten. Magnetische Feldände­ rungen infolge von Fehlerströmen, wie sie von Gleich­ fehlerströmen oder von Wechselfehlerströmen herrühren können, führen zu einer elektrischen Widerstandsänderung im Medium 3 und damit zu einer Änderung des elektrischen Stromes, der durch den Sensor fließt. Diese Stromänderung führt in einem Widerstand 11 zu einer Spannungsänderung, die von einer Auswerteelektronik 9 ausgewertet wird. Bei Über­ schreiten eines vorgegebenen Schwellwerts wird ein Aus­ lösesignal einem Auslöserelais 10 zugeführt, das Schalt­ kontakte 12 in den zu überwachenden Leitern 2 öffnet. Da der Widerstand 11 der Messung der Spannung als Maß für die magnetische Flußänderung infolge von Fehlerströmen dient, kann der Widerstand 11 auch als Meßwiderstand bezeichnet werden. Die Größe der Spannungsänderung ist bei einer bestimmten Änderung der magnetischen Induktion von der Größe der Konstantspannung am Sensor abhängig und damit von der Größe des Meßwiderstandes und von der Steigung der Kenn­ linie, Delta R : Delta B - der Kennlinie des Sensors im Ar­ beitspunkt 5 nach Fig. 2.

Geringfügige Verschiebungen des Arbeitspunktes durch Gleich­ fehlerströme sind beiden Einrichtungen, nach Fig. 1 und nach Fig. 3, zur Erfassung von Differenzströmen ohne störenden Ein­ fluß, solange der Quotient Delta R : Delta B einem in Hin­ blick auf die Vorschriften über die Grenzwerte für Auslöse­ fehlerströme festzulegenden Minimal- und Maximalwert nicht überschreitet. Eine Verschiebung des Arbeitspunktes über einen tolerierbaren Bereich hinaus ist über den Gleich­ spannungsfall am Medium 3 nach Fig. 1 bzw. am Meßwiderstand 11 nach Fig. 3 zu erfassen und dient als Auslösekriterium. Bei einer Einrichtung die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, beeinflussen glatte Gleichfehlerströme also nicht die Erfassung und die Empfindlichkeit bei der Erfassung des entsprechend aufgebauten DI-Schutzschalters. Eine derartige Schaltung kann als Schaltgerät oder als Zu­ satzbauteil für eine Schutzeinrichtung zur Erfassung von Wechsel- und Pulsfehlerströmen herangezogen werden.

Ein Kombinationsgerät aus spezialisierten Einrichtungen, einer zur Erfassung von glatten Gleichfehlerströmen und einer zur Erfassung von pulsierenden Fehlerströmen und Wechselfehlerströmen, bzw. von entsprechenden Differenz­ strömen, bietet entscheidende Vorteile. Ein Beispiel für ein derartiges Kombinationsgerät ist in Fig. 4 veranschaulicht. Die spezialisierten Einrichtungen 12 und 13 zur Erfassung von Fehler- bzw. Differenzströmen können nach dem Prinzip eines FI- oder eines DI-Schutzschalters aufgebaut sein. Es ergeben sich folgende Vorteile und Möglichkeiten:

Es kann ein völlig unabhängiger, nach einem beliebigen Prinzip arbeitender DI-Schutzschalter oder ein entsprechen­ des Zusatzgerät für glatte Gleichfehlerströme, Einrichtung 13, zu einer Einrichtung 12 zur Erfassung von Wechselfehler­ strömen und pulsierenden Fehlerströmen in Reihe geschaltet werden, ohne daß die Funktion des wechsel- oder bzw. und pulsstromsensitiven Zusatzes, Einrichtung 12, durch even­ tuell vorhandene Gleichfehlerströme beeinträchtigt wird. Die Zusammenschaltung von zwei spezialisierten Einrichtungen erfüllt die Funktion eines allstromsensitiven DI-Schutz­ schalters. Vorraussetzung ist lediglich, daß die Einrich­ tung für glatte Gleichfehlerströme durch Wechsel- oder Puls­ fehlerströme nicht in unzulässiger Weise beeinträchtigt wird. Dies kann durch eine Schutzeinrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, jedoch sichergestellt werden.

Weiter werden die Probleme, die bei der Zusammenschaltung eines wechsel- und pulsstromsensitiven DI-Schalters herkömm­ licher Art mit einem DI-Teil für glatte Gleichfehlerströme auftreten können, entschärft. Die gleichstromsensitive DI- Einheit braucht bei der Zusammenschaltung mit einer wechsel- oder bzw. und pulsstromsensitiven erfindungsgemäßen DI-Ein­ heit zusätzlich die Funktionen des bereits bei sehr kleinen Gleichfehlerströmen unempfindlich werdenden Einheit herkömm­ licher Art, sei es ein FI- oder DI-Schutzschalter, nicht zu übernehmen. Bei herkömmlichen Gerätekombinationen treten Probleme dann auf, wenn bei glatten Gleichfehlerströmen, die noch nicht zur Abschaltung der auf die Erfassung von Gleich­ fehlerströmen spezialisierten Einrichtung führen, die Ein­ heit zur Erfassung von Wechsel- und Pulsstromfehlerströmen unempfindlicher wird.

Schließlich können Kombinationsgeräte, von denen eines in Fig. 4 veranschaulicht ist, in Netzen eingesetzt werden, in denen glatte Gleichfehlerströme lediglich in einer Größen­ ordnung auftreten können, die toleriert werden kann und nicht zu einer Abschaltung führen soll.

Claims (3)

1. Verfahren zur Erfassung von Differenzströmen, bei denen durch einen Ringkern (1) nach Art eines Summenstromwandlers, aus weichmagnetischem Material, die zu überwachenden Leiter (2) geführt werden, wobei ein Medium (3), ausgenommen eine Sekundärwicklung, zugeordnet ist, in dem ein bei Fehlerstrom auftretender magnetischer Fluß direkt oder indirekt eine flußabhängige Zustandsänderung bewirkt, die ausgewertet wird, wobei der Arbeitspunkt (5) über eine Vormagneti­ sierung (Einrichtung 4) eingestellt wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) mit einem Luftspalt versehen ist, in dem ein magnetoresistiver Sensor (als Medium (3)), beispiels­ weise eine Feldplatte, angeordnet ist, an den eine einge­ prägte Stromquelle angeschlossen ist, wobei die Spannung am magnetoresistiven Sensor von einer Auswerteelektronik abge­ griffen und oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes als Auslösesignal einem Auslöserelais (10) zugeführt wird, wobei der Ringkern (1) im Einwirkungsbereich einer Einrichtung (4) zur Gleichfeld-Vormagnetisierung angeordnet ist.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) mit einem Luftspalt versehen ist, in dem ein magnetoresistiver Sensor (als Medium (3)) beispiels­ weise eine Feldplatte, angeordnet ist, an den eine einge­ prägte Spannungsquelle und ein Widerstand (11), Meßwider­ stand genannt, angeschlossen ist, wobei die Spannung am Meßwiderstand (11) von einer Auswerteelektronik (9) abge­ griffen und oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes als Auslösesignal einem Auslöserelais (10) zugeführt wird, wobei der Ringkern (1) im Einwirkungsbereich einer Einrich­ tung (4) zur Gleichfeld-Vormagnetisierung angeordnet ist.