DE4215899C1 - Anordnung zum Erfassen von Differenzströmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erfassen von Differenzströmen.

Zum Erfassen von Fehlerströmen in einem ein- oder mehrpha­ sigen Leitungsabzweig sind Fehlerstromschutzeinrichtungen, beispielsweise Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) nach DIN VDE 0664 bekannt, die auf einer netzunabhängigen Auslösung nach dem Induktionsprinzip beruhen und sowohl bei Wechselfehlerströmen als auch bei pulsierenden Gleich­ fehlerströmen auslösen. Glatte Gleichfehlerströme, wie sie in bestimmten Industrieanlagen auftreten können, werden von diesen Schutzschaltgeräten nicht erfaßt und deshalb auch nicht abgeschaltet.

Hierfür sind netzabhängige Lösungen bekannt. In einer be­ kannten netzabhängigen Fehlerstromschutzschaftung ist ein Summenstromwandler mit einer Vormagnetisierungsentwicklung, die mit einem Frequenzgenerator verbunden ist, und mit einer Sekundärwicklung, die mit einem Gleichrichter ver­ bunden ist, versehen. Parallel zu diesem Gleichrichter ist ein R-C-Glied geschaltet und parallel dazu eine Diskrimi­ natorschaltung angeschlossen, die beim Absinken der Span­ nung am R-C-Glied unter einen vorgegebenen Grenzwert einen Auslöseimpuls abgibt. Die Frequenz der Vormagnetisierung ist dabei groß gegenüber der Netzfrequenz und die entspre­ chende Periodendauer etwa so groß wie die Zeitkonstante des R-C-Gliedes. Sowohl die Diskriminatorschaltung als auch der Frequenzgenerator beziehen ihre Energie aus dem Netz (DE-A1-25 55 303).

Bei einer weiteren bekannten netzabhängigen Fehlerstrom­ schutzeinrichtung ist eine Sekundärspulenwicklung auf dem Ringkern eines Summenstromwandlers als Induktivität-Teil eines Oszillatorkreises. Die Summe der Ströme in den durch den Ringkern geführten drei Phasenleitern und dem Nullei­ ter eines Drehstrom-Primärkreises ist im Normalfall gleich Null, so daß die Schwingfrequenz des Oszillators in einem entsprechenden Normalfrequenzintervall liegt. Bei Auftre­ ten eines Fehlerstromes ändert sich die Induktivität der Sekundärspulenwicklung und damit auch die Schwingfrequenz des Oszillators. Diese Schwingfrequenz wird nun mit der Frequenz des Oszillators bei Stromdurchflutung Null ver­ glichen und bei Überschreiten von Grenzwerten wird ein Alarmsignal ausgelöst. Zur Erfassung der Summe der Einzel­ ströme in den Phasenleitern und nicht der Einzelströme selbst sind die Phasenleiter in einer Ausführungsform koaxial um den Nulleiter im Zentrum des Ringkerns ange­ ordnet und in einer anderen Ausführungsform paarweise punktsymmetrisch um den Nulleiter angeordnet (DE-C2- 25 12 811).

Es ist ein anderes Meßprinzip zum Erfassen von glatten Gleichfehlerströmen wie auch Wechselfehlerströmen und pulsierenden Gleichfehlerströmen bekannt, bei dem die Stromleiter eines Stromkreises durch den magnetischen Kern eines Summenstromwandlers hindurchgeführt ist und dieser Kern mit einem Spalt versehen ist. Zur Messung des Magnet­ feldes innerhalb des Spaltes ist im Spalt eine Magnetfeld­ sonde angeordnet, vorzugsweise ein magnetfeldabhängiger Widerstand wie beispielsweise ein Hallgenerator, eine Feldplatte oder auch ein Magnettransistor. Ist nun der Summenstrom aller in den Stromleitern fließenden Ströme nicht Null, so wird in dem Spalt ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld wird von der Magnetfeldsonde detektiert. Da dieses Meßprinzip nicht auf magnetischer Induktion beruht, können damit auch die Magnetfelder beliebiger Gleichfehlerströme erfaßt werden (DE-OS-20 59 034). Das Magnetfeld im Spalt hängt jedoch stark vom jeweiligen Abstand zwischen dem Spalt und den verschiedenen Leitern ab, so daß auch bei Summenstrom Null ein Magnetfeld vor allem von den dem Spalt am nächsten liegenden Leitern im Spalt erzeugt wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese be­ kannte Anordnung zum Erfassen sowohl von Wechseldifferenz­ strömen und pulsierenden Gleichdifferenzströmen als auch von glatten Gleichdifferenzströmen zu verbessern. Es soll eine Anordnung für eine Gleich- oder Wechselstromversor­ gung mit zwei Stromleitern angegeben werden, die insbeson­ dere bei einem hohen Nennstrom und einem hohen elektro­ magnetischen Störpegel betrieben werden, sowie auch kleine Differenzströme erfassen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merk­ malen des Anspruchs 1. Der Ringkern eines Summenstromwand­ lers ist mit zwei Spalten versehen, in denen jeweils we­ nigstens ein Magnetfeldsensor angeordnet ist. Die durch den Ringkern geführten beiden Stromleiter L1 und L2 werden derart angeordnet, daß ihre Stromschwerpunkte im Querschnitt spiegelsymmetrisch zu einer gemeinsamen Symmetrieachse des Spaltes liegen und ihr gemeinsamer Stromschwerpunkt im Mittelpunkt des Ringkerns liegt. Die gemeinsame Symmetrie­ achse der Spalte verläuft durch den Mittelpunkt des Quer­ schnitts des Ringkerns, wobei der Querschnitt als ein Schnitt durch den Summenstromwandler in einer Ebene senk­ recht zur Mittelachse des Ringkerns und der Mittelpunkt des Querschnitts des Ringkerns als Schnittpunkt dieser Ebene mit der Mittelachse definiert sind.

Dadurch wird eine Symmetrierung der Magnetfeldlinien er­ reicht, die zu einer gegenseitigen Kompensation der von den beiden Stromleitern L1 und L2 erzeugten Magnetfelder im Spalt führt, wenn die Summe der in den beiden Strom­ leitern L1 und L2 fließenden Ströme Null ist. Dies konnte durch numerische Berechnungen mit einer Finite-Elemente- Methode gezeigt werden.

Ein weiterer Vorteil ist die Unterdrückung von äußeren Störmagnetfeldern bei der Auswertung der Meßsignale der beiden Magnetfeldsensoren.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen eine ringförmige Abschirmung vorgesehen, die alle Stromleiter umschließt. Diese Ab­ schirmung bewirkt auch eine zusätzliche Symmetrierung der Magnetfeldlinien zum Ausgleich von Fertigungstoleran­ zen bei der Herstellung der Leiteranordnung.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich­ nung Bezug genommen, in deren einziger Figur eine Ausfüh­ rungsform gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist.

In der Figur sind der Ringkern eines Summenstromwandlers mit 2, ein erster Stromleiter mit 10 und ein weiterer Stromleiter mit 20 sowie ein erster Spalt im Ringkern 2 mit 4, ein in diesem ersten Spalt 4 angeordneter Magnet­ feldsensor mit 6, ein zweiter Spalt im Ringkern 2 mit 5, ein in diesem zweiten Spalt 5 angeordneter Magnetfeld­ sensor mit 7 und eine gemeinsame Symmetrieachse der beiden Spalte mit 8 bezeichnet. Die Stromschwerpunkte S10 und S20 der beiden Stromleiter 10 bzw. 20 sind achsensymmetrisch zur Symmetrieachse 8 auf einer zur Symmetrieachse 8 ortho­ gonalen Achse 9 durch den Mittelpunkt M des Ringkerns 2 angeordnet. Sind nun der Stromleiter 10 von einem Strom +I und der Stromleiter 20 von einem in entgegengesetzter Richtung fließenden Strom -I gleichen Betrages durchflos­ sen und ist damit die Summe der Ströme in jedem Zeitpunkt Null, so sind durch diese symmetrische Anordnung der bei­ den Stromleiter 10 und 20 die Magnetfelder in den Spalten 4 und 5 im wesentlichen Null. Dies ergaben numerische Be­ rechnungen mit Hilfe einer Finite-Elemente-Methode. Eine derart symmetrische Leiteranordnung bewirkt nämlich eine Symmetrierung der Magnetfeldlinien, die dazu führt, daß sich die Magnetfelder der Stromleiter 10 und 20 in den Spalten 4 und 5 gerade gegenseitig aufheben. Bei Auftreten eines Fehlerstromes ist die Summe der Ströme nicht mehr Null, entsprechend einem von Null verschiedenen Differenz­ strom als Differenz der Strombeträge in den einzelnen Leitern. Dies führt zu einer asymmetrischen Verteilung der Magnetfeldlinien und einem Magnetfeld in den Spalten 4 und 5, das von dem entsprechenden Magnetfeldsensor 6 bzw. 7 gemessen wird und ein Maß für die Größe des Differenz­ stromes ist.

Ein besonderer Vorteil der Verwendung zweier Spalte 4 und 5 ist die Unterdrückung äußerer Störmagnetfelder. Ein äußeres homogenes Magnetfeld durchdringt die Spalte 4 und 5 in der gleichen Richtung. Das durch einen zu erfas­ senden Differenzstrom erzeugte Magnetfeld im Spalt 4 ist entgegengesetzt gerichtet zu dem Magnetfeld im Spalt 5 und beide sind bei gleicher Spaltlänge betragsmäßig gleich groß sowie außerdem nur halb so groß wie bei der Ausfüh­ rungsform mit nur einem Spalt. Bildet man nun die Dif­ ferenz der Meßsignale der beiden Magnetfeldsensoren 6 und 7, so ergibt sich ein Meßsignal derselben Stärke wie bei nur einem Spalt und die durch das äußere Magnetfeld ver­ ursachten störenden Signale heben sich gerade heraus.

Zum Schutz vor elektromagnetischen äußeren Störeinflüssen ist vorzugsweise ferner eine ringförmige Abschirmung 12 vorgesehen, die alle Stromleiter umschließt und vorzugs­ weise zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten mit einem vorzugsweise innen umlaufenden Schlitz versehen ist. Ein zusätzlicher Effekt dieser Abschirmung 12 besteht in der weiteren Symmetrierung der Magnetfeldlinien zum Aus­ gleich von Abweichungen der vorgegebenen Abstände der Stromleiter 10 und 20 voneinander sowie der Stromleiter 10 und 20 zu den Spalten 4 bzw. 5 bei der Fertigung.

Als Magnetfeldsensoren können Hallsonden, Feldplatten oder auch magnetoresistive Sensoren vorgesehen sein.

Claims (2)

1. Anordnung zum Erfassen von Differenzströmen mit einem Summenstromwandler, dessen Ringkern (2) mehrere Strom­ leiter umgibt und mit einem ersten Spalt (4), in dem wenigstens ein Magnetfeldsensor (6) angeordnet ist, sowie mit einem zweiten Spalt (5) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) auch in dem zweiten Spalt (5) wenigstens ein Magnet­ feldsensor (7) angeordnet ist und
• b) zwei Stromleiter (10 und 20) vorgesehen und derart angeordnet sind, daß ihre Stromschwerpunkte (S10 bzw. S20) im Querschnitt spiegelsymmetrisch zu einer ge­ meinsamen Symmetrieachse (8) der beiden Spalte (4 und 5) auf einer Achse (9) liegen, die senkrecht zur Sym­ metrieachse (8) durch den Mittelpunkt (M) des Quer­ schnitts des Ringkerns (2) verläuft,
• c) wobei der Querschnitt als ein Schnitt durch den Summen­ stromwandler in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse des Ringkerns (2) und der Mittelpunkt (M) des Quer­ schnitts des Ringkerns (2) als Schnittpunkt dieser Ebene mit der Mittelachse des Ringkerns (2) definiert sind und die Symmetrieachse (8) durch den Mittelpunkt (M) verläuft.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die beiden Stromleiter (10 und 20) eine Abschirmung (12) vorgesehen ist.