DE60009752T2

DE60009752T2 - Verbesserte elektronische fehlerstromschutzvorrichtung

Info

Publication number: DE60009752T2
Application number: DE60009752T
Authority: DE
Inventors: Walter Patruno; Salvatore Brandonisio; Paolo Antonello; Samuel John BENISTON; Willy Schwarz
Original assignee: ABB Service SRL
Current assignee: ABB SpA
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: EP1247319B1; ITMI992754A1; IT1314351B1; AU2003401A; ATE264014T1; US6807037B1; WO2001050566A1; EP1247319A1; DE60009752D1; ITMI992754A0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung für eine Niederspannungsnetzleitung, welche eine verbesserte Funktionalität hat.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung für ein- oder dreiphasige Niederspannungsnetzleitungen (daher für Spannungswerte unter 1 KV).
Viele Beispiele für elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtungen für eine Niederspannungsnetzleitung sind bekannt.
Die Hauptfunktion einer elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung ist es, die Netzleitung zu unterbrechen, wenn ein Erdkriechstrom (oder Erdschluss-Fehlerstrom oder Ungleichgewichtstrom) über einer bestimmten voreingestellten Schwelle erkannt wird. Die Netzleitung, auf welcher ein Auslöseereignis auftritt, kann die Netzversorgungsleitung (ein- oder dreiphasig) sein, welche sich auf eine spezifische Last oder einen lokalen elektrischen Nutzer, z.B. vom industriellen oder häuslichen Typus, bezieht.
Der Ausdruck "Erdkriechstrom" soll verstanden werden als beschreibend, z.B. einen Erdschlussstrom, welcher erzeugt wird durch eine beliebige Fehlfunktion der Netzleitung oder der elektrischen Lasten, mit welchen die Netzleitung verbunden ist.
Aus diesem Grund weisen bekannte elektronische Vorrichtungen generell die folgenden funktionalen Elemente auf (1):

– einen Stromsensor 1 zur Erkennung eines Erdkriechstroms (auch bekannt als Ungleichgewichtstrom oder Fehlerstrom) in einem Phasenleiter einer Netzleitung 5;
– eine elektronische Schaltung 2 zur Verarbeitung eines Signals, welches anzeigend ist für den Erdkriechstrom, gesendet von dem Stromsensor 1.

Eine bekannte Vorrichtung zum Schutz gegen Erdkriechströme, welche die Eigenschaften des Oberbegriffs des Anspruchs 1 hat, ist offenbart im US-Patent 4,331,999. Auslöseereignisse, welche die Unterbrechung der Netzleitung verursachen, treten auf gemäß universell anerkannter technischer Standards, welche die technischen Anforderungen bestimmen, die erfüllt werden müssen, um die elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung als sicher für den Benutzer zu betrachten.
Im üblichen Gebrauch wird eine Auslöse-Charakteristik bestimmt für jede elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung. Diese Auslöse-Charakteristik hängt von den konstruktiven Eigenschaften der Vorrichtung und letztlich von den Eigenschaften der elektronischen Schaltung 2 von 1 ab.
Es ist bekannt, dass die elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtungen vom Stand der Technik Nachteile haben.
Zu allererst sind bekannte elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtungen im Allgemeinen nicht mit Überwachungssystemen versehen, welche es erlauben, den Betriebszustand der Vorrichtung einfach zu überprüfen und die Netzleitung, falls notwendig, zu unterbrechen. Dies kann eine Quelle für viele Probleme für den Benutzer sein. Zum Beispiel eine hohe Betriebstemperatur, hervorgerufen durch Umgebungsfaktoren oder interne Fehler, kann eine Fehlfunktion der Vorrichtung hervorrufen, welche ihre Sicherheit beeinträchtigen kann.
Die Abwesenheit der Überwachung des Spannungsniveaus der Netzleitung kann auch zu Fehlfunktionen der Vorrichtung und zu Schäden an den elektrischen Vorrichtungen, welche durch die Netzleitung versorgt werden, führen, ohne ein Auslöseereignis zu haben.
Der Betriebszustand der Vorrichtung im Verhältnis zu seiner Verbindung mit den Leitern der Netzleitung, zu welchen er verbunden ist, ist auch sehr wichtig.
Wenn keine Überwachung des Verbindungsstatus' der Leiter (Neutral oder Erde oder Phase) der Netzleitung bereitgestellt ist, kann die Vorrichtung versagen zu funktionieren aufgrund der Unterbrechung einer der Leitungen oder aufgrund ihrer inkorrekten Verbindung. In der Praxis würde in solchen Situationen ein Erdkriechstrom in der Netzleitung die Fehlerstrom-Schutzvorrichtung nicht auslösen. Dementsprechend wäre kein Schutz irgendeiner Art bereitgestellt für einen Benutzer, der zufälligerweise irgendwie mit der Netzleitung und/oder mit der von der Leitung versorgten Last interagiert. Diese Tatsache bringt erhebliche Sicherheitsprobleme mit sich, welche derzeit gelöst werden können durch Kopplung einer elektromechanischen Schutzvorrichtung zu der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung mit einer erheblichen Steigerung der Installationskosten.
Weiterhin weisen bekannte Fehlerstrom-Schutzvorrichtungen im Allgemeinen elektronische Schaltungen auf zum Einstellen des minimalen Auslösestroms und/oder dem maximalen Zeitintervall zur Auslösung. Diese Schaltungen bestehen im Allgemeinen aus elektronischen Netzwerken des RC-Typus, welche das elektrische Signal verarbeiten, welches anzeigend ist für den Wert des Erdkriechstroms, welcher von dem Stromsensor ankommt. Z.B. wird das maximale Zeitintervall üblicherweise gesetzt durch Einführung einer Zeitverzögerung, welche proportional zu dem erkannten Erdkriechstromwert ist. Obwohl die technischen Lösungen, welche üblicherweise angewandt werden, es erlauben, einige wichtige Parameter, welche die Auslösekriterien der elektronischen Fehlerstrom- Schutzvorrichtung charakterisieren voreinzustellen, erlauben sie es nicht, im Voraus ihr Gesamtverhalten und folglich den Verlauf ihrer Auslöse-Charakteristik zu definieren. Diese Tatsache bringt mit sich einen hohen Grad von Unsicherheit über das Verhalten der Vorrichtung für hohe Erdkriechstromwerte, für welche die proportionale Verzögerung, welche eingeführt wird durch die üblicherweise angewandten technischen Lösungen, dahin tendiert, auf vernachlässigbare Werte zu fallen.
Auf diese Weise gibt es nicht länger irgendeine Kontrolle über die Auslösezeiten der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung, welche im Wesentlichen abhängen von dem Abnutzungsgrad der mechanischen oder elektromechanischen Komponenten der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung. Diese Tatsache kann z.B. zu unerwarteten Unterbrechungen der Netzleitung führen, welche eine schwere Belästigung für den Benutzer sind. Weiterhin können ernsthafte Probleme auftreten, wenn ein elektrisches System elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtungen in einer Kaskaden-Konfiguration beinhaltet (z.B. eine Vorrichtung eines generellen Typus, verbunden mit einem Netzwerk mit Selektivtypen-Vorrichtungen). In diesem Fall verursacht die Unsicherheit, welche sich bezieht auf die minimale Auslösezeit, Probleme im Verwalten der Auslöseereignisse des gesamten Netzwerks an Vorrichtungen. Zusätzlich zu diesem Nachteil gibt es die Tatsache, dass, da die Auslöse-Charakteristik nur schwer vorherbestimmbar ist, viele Vorrichtungen während Test und Inspektion versagen können, den Standards zu entsprechen. Diese Tatsache bringt mit sich, zusätzlich zu einem hohen Grad an Unsicherheit über die Entsprechung der Fehlerstrom-Schutzvorrichtung zu den anwendbaren Standards, viele Schwierigkeiten, wenn es notwendig ist, spezielle Anforderungen des elektrischen Nutzers, für den die Vorrichtung vorgesehen ist, zu erfüllen. Zum Beispiel ist es schwierig, im voraus zu bestimmen, ob eine Vorrichtung vom generellen oder selektiven Typus sein muss oder eine komplexere Auslöse-Charakteristik haben muss. Dementsprechend sind komplexere Kalibrationsvorgänge notwendig, um eine Auslöse-Charakteristik zu erreichen, welche so nah wie möglich die Vorgesehene approximiert.
Ein anderer Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, dass bekannte elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtungen im Allgemeinen entworfen sind, sehr spezifische Typen von Aktuatoren zu nutzen. In der Praxis sind die elektronischen Schaltungen, welche das Auslösesignal generieren, nur dazu in der Lage, einen bestimmten Aktuatortyp anzusteuern. Wenn entschieden wird, den Aktuatortyp zu wechseln, dann muss die gesamte Vorrichtung überarbeitet werden, um eine zufriedenstellende Funktion sicherzustellen.
Ein anderer Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, dass in den bekannten elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtungen, das Design der elektronischen Schaltungen zur Erzeugung des Signals sehr häufig die Betriebszustände der Sensorvorrichtungen nur am Rande in Betracht ziehen, geeignet zur Erkennung der Anwesenheit eines Erdkriechstroms. Insbesondere sind technische Lösungen zur Überwachung mit einer Diagnose von dem ON/OFF-Typus des Betriebszustands der Sensoreinrichtung sehr häufig alles was bereitgestellt wird. Da die Sensoreinrichtungen angeschlossen werden müssen an Elektronik, welche für andere spezifische Zwecke entworfen wurde (die Erzeugung eines Auslösesignals, wenn ein bestimmtes Niveau des Erdkriechstroms überschritten wird), können sie sich in nicht optimalen Betriebszuständen wieder finden, was die Funktion der gesamten elektronischen Schutzvorrichtung negativ beeinflusst.
Daher ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung für eine Niederspannungsnetzleitung bereitzustellen, welche es erlaubt, die Netzleitung zu unterbrechen, wenn ein Betriebszustand auftritt, welcher die korrekte Funktion der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung beeinträchtigt.
Innerhalb des Bereichs dieser Absicht ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung bereitzustellen, welche es er laubt, die Netzleitung zu unterbrechen, wenn ihre Betriebstemperatur eine voreingestellte Schwelle überschreitet.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung bereitzustellen, welche es erlaubt, die Netzleitung zu unterbrechen, wenn die Spannung der Netzleitung eine voreingestellte Schwelle überschreitet.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung bereitzustellen, welche es erlaubt, die Netzleitung zu unterbrechen, wenn eine Unterbrechung des Neutral- und/oder Erdleiters der Netzleitung auftritt oder wenn eine fehlerhafte Verbindung von den Phasen- und Neutralleitern auftritt.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung bereitzustellen, welche es erlaubt, den Verlauf der Auslöse-Charakteristik der Vorrichtung einfach voreinzustellen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung bereitzustellen, welche es erlaubt, mehrere Aktuationsvorrichtungen zu nutzen, ohne erhebliche Modifikationen an den elektronischen Schaltungen geeignet, das Auslösesignal für die Aktuationsvorrichtungen zu erzeugen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung bereitzustellen, welche es erlaubt, den Betrieb der Sensoren geeignet zum Erkennen des Erdleckstroms zu optimieren.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung bereitzustellen, welche es erlaubt, die Netzleitung zu unterbrechen, wenn die Sensoren geeignet zum Erkennen eines Erdkriechstroms versagen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung bereitzustellen, welche einfach hergestellt werden kann und zu bescheidenen Kosten.
Demnach stellt die vorliegende Erfindung eine elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung für eine Niederspannungsnetzleitung bereit, welche aufweist:

– einen beweglichen Kontakt und einen festen Kontakt, welche gegenseitig gekoppelt/entkoppelt werden können; und
– erste Sensormittel zum Erkennen eines Kriechstroms und zum Erzeugen eines elektrischen Signals, welches anzeigend ist für den Wert des Erdkriechstroms; und
– erste elektronische Mittel, welche elektrisch verbunden sind mit den ersten Sensormitteln, um zu erzeugen, auf der Basis des elektrischen Signals, welches anzeigend ist für den Wert des Erdkriechstroms, ein elektrisches Auslösesignal; und
– Aktuationsmittel, operativ verbunden mit dem beweglichen Kontakt, um auszuführen, in Antwort auf steuerelektrische Signale, die Trennung des beweglichen Kontakts von dem festen Kontakt;

Die elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist:

– zweite Sensormittel zur Erkennung eines oder mehrerer physikalischer Werte, welche anzeigend sind für den Betriebszustand der elektronischen Vorrichtung zum Schutz gegen Erdkriechströme; und
– zweite elektronische Mittel, elektrisch verbunden mit den zweiten Sensormitteln, zum Empfangen elektrischer Signale von den zweiten Sensormitteln, welche anzeigend sind für den Betriebszustand der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung und zum Erzeugen des elektrischen Auslösesignals abhängig von den elektrischen Signalen.

Die elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt es, die beabsichtigte Absicht und Ziele zu erreichen. Tatsächlich stellt sie sicher, aufgrund des Vorhandenseins von zweiten Sensormitteln und von zweiten elektronischen Mitteln, die Möglichkeit, abnormale Betriebszustände zu erkennen, welche die Sicherheit der Vorrichtung beeinträchtigen können. In der Praxis wird ein abnormaler Betriebszustand in der gleichen Weise betrachtet wie ein Erdkriechstrom und ruft das Auslösen der Fehlerstrom-Schutzvorrichtung hervor. Dies zwingt den Benutzer in Sicherheit auf die Netzleitung oder auf die elektronische Vorrichtung selbst einzugreifen, um normale Betriebszustände wieder herzustellen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden ersichtlich von der detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, illustriert nur durch nicht beschränkendes Beispiel in den begleitenden Zeichnungen, worin:
1 ein Blockdiagramm einer elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung eines bekannten Typs ist;
2 eine schematische Ansicht einer elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
3 eine schematische Ansicht eines konstruktiven Details der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
4 eine schematische Ansicht eines anderen konstruktiven Details der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
5 eine schematische Ansicht eines weiteren konstruktiven Details der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
6 eine schematische Ansicht eines weiteren konstruktiven Details der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
7 eine schematische Ansicht eines weiteren konstruktiven Details der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
8 eine schematische Ansicht eines weiteren konstruktiven Details der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
9 eine schematische Ansicht eines weiteren konstruktiven Details der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
10 eine schematische Ansicht eines weiteren konstruktiven Details der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
Der Aufbau einer elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (Bezugszeichen 30) gemäß der Erfindung ist schematisch mit Bezug auf 2 gezeigt.
Die Vorrichtung 30 weist auf einen beweglichen Kontakt und einen festen Kontakt, welche gegenseitig gekoppelt/entkoppelt werden können (Bezugszeichen 31). Die Trennung des beweglichen Kontakts von dem korrespondierenden festen Kontakt ruft offensichtlich die Unterbrechung einer Netzleitung 32 hervor.
Die Netzleitung 32 kann von dem Ein-Phasen oder Drei-Phasen-Typ sein gemäß den Anforderungen des elektrischen Nutzers. Die Vorrichtung 30 weist auf erste Sensormittel 33 zum Erkennen eines Erdkriechstrom in einem Phasenleiter der Netzleitung 32. Die Sensormittel 33 erzeugen daher ein elektrisches Signal, welches für den Wert des erkannten Erdkriechstroms anzeigend ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten Sensormittel 33 wenigstens einen Stromwandler auf, versehen mit einer Primärwicklung, welche die Leiter der Netzleitung 32 umfasst. Im Fall einer Drei-Phasen-Netzleitung kann die Primärwicklung des Stromwandlers die Leiter der Netzleitung 32 umfassen. Dementsprechend fließt ein elektrisches Stromsignal in der Sekundärwicklung des Wandlers in Antwort auf das Vorhandensein eines Erdkriechstroms in dem Pha senleiter, welcher die Primärwicklung darstellt. Dieses elektrische Stromsignal ist daher anzeigend für den Wert des Erdkriechstroms.
Die Vorrichtung 30 gemäß der Erfindung weist weiterhin erste elektronische Mittel 34 auf, welche elektrisch verbunden sind mit den ersten Sensormitteln 33. Die ersten elektronischen Sensormittel 34 erzeugen ein elektrisches Auslösesignal, welches abhängt von dem elektrischen Signal, welches anzeigend ist für den Wert des Erdkriechstroms (sowie z.B. für das eine, welches von den Sensormitteln 33 gesendet wird). Die Vorrichtung 30 weist weiterhin Aktuationsmittel 35 auf, welche operativ verbunden sind mit dem beweglichen Kontakt der elektrischen Kontakte 31. Die Aktuationsmittel 35 rufen hervor, in Antwort auf ein steuerelektrisches Signal 750, die Trennung des beweglichen Kontakts von dem korrespondierenden festen Kontakt und verursachen dadurch die Unterbrechung der Netzleitung 32.
Die Aktuationsmittel 35 können z.B. von elektromagnetischem Typ sein (Solenoid).
Wieder mit Bezug auf 2 weist die Vorrichtung 30 zweite Sensormittel 15 auf zum Erkennen eines oder mehrerer physikalischen Werte, welche anzeigend für den Betriebszustand der elektronischen Schutzvorrichtung sind und zweite elektronische Mittel 16. Die elektronischen Mittel 16 sind elektrisch verbunden mit den Sensormitteln 15, um Signale 17 zu empfangen, welche für den Betriebszustand der elektronischen Schutzvorrichtung anzeigend sind. Weiterhin erzeugen die zweiten elektronischen Mittel 16 ein elektrisches Auslösesignal 18, abhängig von den elektrischen Signalen 17. Vorteilhafterweise weisen die ersten und zweiten elektrischen Mittel 34 und 16 ein erstes Schaltungsnetzwerk 37 auf zum Erzeugen eines elektrischen Auslösesignals folgend dem Empfang in Eingang eines elektrischen Stromsignals. Das Schaltungsnetzwerk 37 weist bevorzugter Weise (3) ein erstes kapazitives Element 42 auf, welches mit Erde verbunden ist. Das kapazitive Element 42 wird durch ein elektronisches Stromsignal 40 geladen im Eingang, um eine Ladespannung zu erzeugen. Ein erstes Komparatorelement 43, elektrisch verbunden mit dem kapazitiven Element 42, erhält in Eingang die Ladespannung und erzeugt das elektrische Auslösesignal 39, wenn die Ladespannung eine voreingestellte Referenzspannung V_RIF1 überschreitet.
Vorteilhafterweise weisen die elektrischen Mittel 16 weiterhin auf (2 und 3) ein zweites Schaltungsnetzwerk 20 zum Erzeugen eines elektrischen Auslösesignals 18, folgend dem Empfang in Eingang eines elektrischen Stromsignals 17. Das elektrische Signal 17 ist anzeigend für den erkannten Betriebszustand. Das Schaltungsnetzwerk 20 (4) weist ein zweites Komparatorelement 24 auf zum Erzeugen eines ersten Freigabesignals 23, wenn das elektrische Stromsignal 17 eine voreingestellte Referenzspannung V_RIF2 überschreitet. Das Schaltungsnetzwerk 20 weist weiterhin einen zweiten Schaltungsblock 25 auf zum Erzeugen eines elektrischen Stromsignals I1 folgend dem Empfang des ersten Freigabesignals 23. Das Signal I1 ist angewandt in Eingang auf ein zweites kapazitives Element 26, welches mit der Erde verbunden ist. Das zweite kapazitive Element 26 wird durch das elektrische Stromsignal I1 geladen, um so eine Ladespannung zu erzeugen. Ein drittes Komparatorelement 27 ist elektrisch verbunden mit dem kapazitiven Element 26. Das Komparatorelement 27 erhält in Eingang die Ladespannung und erzeugt ein elektrisches Auslösesignal 18, wenn die Ladespannung eine voreingestellte Referenzspannung V_RIF3 überschreitet.
Mit Bezug nun auf 5 weisen die zweiten Sensormittel 15 wenigstens einen Sensor 151 auf, welcher innerhalb und/oder außerhalb der Vorrichtung 30 angeordnet ist. Der Sensor 151 erkennt die Betriebstemperatur der Vorrichtung 30 und erzeugt ein elektrisches Signal 160, welches anzeigend ist für den Wert der erkannten Temperatur und dazu vorgesehen ist, an die zweiten elektronischen Mittel 16 gesendet zu werden. Der Sensor 151 kann bereitgestellt werden, z.B. durch Verwendung eines entsprechend konfigurierten Transistors, gemäß einer der bekannten elektrischen Entwurfstechniken.
Der Sensor 151 ist elektrisch verbunden mit einem vierten Komparatorelement 161, um ein zweites Freigabesignal 162 zu erzeugen, wenn das elektrische Signal 160 eine voreingestellte Referenzspannung V_T überschreitet.
Das Komparatorelement 161 ist elektrisch verbunden mit einem ersten Schaltungsblock 163, um, folgend dem Empfang des Freigabesignals 162, ein elektrisches Stromsignal 40 zu erzeugen, gesendet in Eingang in das erste Schaltungsnetzwerk 37, welches ein elektrisches Auslösesignal 39 erzeugt.
Auf diese Weise wird, sobald die Betriebstemperatur der Vorrichtung 30 eine voreingestellte Schwelle überschreitet, die Netzleitung unterbrochen. Dementsprechend wird jeder Zustand einer potentiellen Gefahr für den Benutzer verhindert.
Mit Bezug nun auf 6 weisen die zweiten Sensormittel 15 bevorzugter Weise einen Sensor 152 auf zum Erkennen der Spannung einer Phase F der Niederspannungsnetzleitung. Der Sensor 152 kann z.B. aus einem gewöhnlichen Spannungsteiler bestehen. Der Sensor 152 erzeugt ein elektrisches Signal 171, welches anzeigend für den Wert der erkannten Spannung ist. Das elektrische Signal 171 ist dazu bestimmt, an die zweiten elektronischen Mittel 15 gesendet zu werden (alternativ kann das elektrische Signal 171 direkt verwendet werden als das Spannungseingangssignal 17 von 4).
Der Sensor 152 ist elektrisch verbunden mit dem zweiten Schaltungsnetzwerk 20, welches ein elektrisches Auslösesignal 18 erzeugt.
Wieder mit Bezug auf 6 können die zweiten Sensormittel 15 aufweisen einen Sensor 153 zum Erkennen des elektrischen Kontinuitätszustands des Neutralleiters. Der Sensor 153 kann vorteilhafterweise ein Schaltungsnetzwerk 156 aufweisen, welches verbunden ist mit einem Phasenleiter F1, mit dem Neutralleiter N und mit dem zweiten Schaltungsnetzwerk 20. Das Schaltungsnetzwerk 156 weist ein resistives Element und Dioden auf, derart angeordnet, um die Spannung des mit B bezeichneten Punktes zu erhöhen sobald die Unterbrechung des Neutralleiters im Punkt A aufgetreten ist.
Im Falle einer Unterbrechung erzeugt der Sensor 153 ein elektrisches Spannungssignal, welches anzeigend für den elektrischen Kontinuitätszustand des Neutralleiters ist, um an die zweiten elektronischen Mittel 15 gesendet zu werden. Der Sensor 153 ist elektrisch verbunden mit dem zweiten Schaltungsnetzwerk 20, welches ein elektrisches Auslösesignal 18 erzeugt.
Gleichermaßen weisen die Sensormittel 15 einen Sensor 154 auf zum Erkennen des elektrischen Kontinuitätszustands des Erdleiters der Netzleitung und einen Sensor 155 zum Erkennen des korrekten Verbindungszustands des Phasen- und Neutralleiters. Wie der Sensor 153 weisen die Sensoren 154 und 155 ein Schaltungsnetzwerk auf, welches ähnlich sein kann in Bezug auf Aufbau und Funktion zu dem Netzwerk 156 und entsprechende Signale 173 und 174 erzeugt.
Zum Beispiel ist, im Fall des Sensors 154, das entsprechende Schaltungsnetzwerk verbunden zwischen einem Phasenleiter und dem Grundleiter der Netzleitung und dem zweiten Schaltungsnetzwerk 20.
In einer bevorzugten Ausführungsform (2) weisen die ersten elektronischen Mittel 34 erste Schaltungsmittel 36 auf zum Erzeugen eines elektrischen Auslösesignals nach einem voreingestellten minimalen Zeitintervall. Es ist auch möglich, zweite Sensormittel 46 einzuschließen, um einen Minimalwert des Erdkriechstroms zu definieren, oberhalb dessen ein elektrisches Auslösesignal erzeugt wird. Auch können dritte Sensormittel 45 zum Erzeugen eines Auslösesignals innerhalb eines maximalen Zeitintervalls, welches gemäß einer wesentlichen Beziehung von umgekehrter Proportionalität in Hinsicht auf einen Erdkriechstrom, welcher höher als der Minimalwert ist, berechnet wird, eingeschlossen werden.
Vorteilhafterweise (7) weisen die ersten elektronische Mittel das Schaltungsnetzwerk 37 auf zum Erzeugen eines elektronischen Auslösesignals 39 folgend auf den Empfang in Eingang eines elektrischen Stromsignals 40, und einen vierten Schaltungsblock 41 zum Senden, folgend dem Empfang von dritten und vierten Freigabesignalen (Bezugszeichen 42 und 43), eines elektrischen Stromsignals 40 in Eingang an das elektrische Netzwerk 37. Der Schaltungsblock 41 ist auch dazu gedacht, folgend dem ausgefallenen Empfang der Freigabesignale 420 und 43, eine Vorentladung des Schaltungsnetzwerks 37 auszuführen. Dies kann auftreten durch Senden eines Stromsignals 40 einer entsprechenden Polarität in Eingang an das Schaltungsnetzwerk 37.
Vorteilhafterweise weisen die zweiten Sensormittel 46 ein resistives Kalibrationselement 620 auf zum Erzeugen (7), auf Grund des Empfangs eines elektrischen Stromsignals 62, einer ersten Referenzspannung 48, welche proportional zu dem Minimalwert des Erdkriechstroms ist. Die dritten Sensormittel 45 weisen vorteilhafterweise auf ein drittes kapazitives Element 39, welches mit Erde verbunden ist, und einen dritten Schaltungsblock 50. Der dritte Schaltungsblock 50 ist dazu gedacht, ein elektrisches Stromsignal 51 an das kapazitive Element 49 zu senden, abhängig von der zweiten Referenzspannung 48, um eine Ladespannung über das kapazitive Element 49 zu erzeugen, wenn ein Erdkriechstrom höher als der Minimalwert vorhanden ist. Wenn ein Erdkriechstrom höher als der Minimalwert nicht vorhanden ist, dann wird das Signal 51 gesendet, um das kapazitive Element 49 zu entladen. Vorteilhafterweise stellt der Schaltungsblock 50, abhängig von der zweiten Referenzspannung 48, ein erstes Logiksignal bereit, welches als Freigabesignal 42 verwendet wird.
Die dritten Sensormittel 45 können weiterhin ein fünftes Komparatorelement 52 aufweisen, welches gekoppelt ist mit dem kapazitiven Element 49. Das Komparatorelement 52 erhält in Eingang die Ladespannung über das kapazitive Element 49 und erzeugt ein zweites Logiksignal, welches als Freigabesignal 43 verwendet wird, wenn die Ladespannung eine voreingestellte Referenzspannung (V_R) überschreitet.
Wieder mit Bezug auf 7 wird der Betrieb der ersten, zweiten und dritten Sensormittel, welche die elektronische Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung umfasst, in größerem Detail beschrieben.
Der Kalibrationswiderstand 620 erzeugt eine Referenzspannung, abhängig von welcher der Schaltungsblock das kapazitive Element 49 auflädt. Insbesondere wenn die Referenzspannung das Vorhandensein eines Wertes des Erdkriechstroms anzeigt, welcher höher ist als der Minimalwert, startet der Block 50 den Ladeprozess, so dass die Ladezeit umgekehrt proportional zu dem erkannten Erdkriechstrom ist. Sobald das Laden vollendet ist (Freigabesignal 43) und wenn ein genügend hoher Erdkriechstrom noch vorhanden ist (Freigabesignal 420), lädt der Block 41 das kapazitive Element 42. Um eine konstante Ladezeit sicherzustellen, erfolgt das Laden auf eine lineare Art und Weise, da er nicht proportional zu dem erkannten Erdkriechstrom ist. Auf diese Art wird ein minimales Zeitintervall, nach welchem das elektrische Auslösesignal 39 erzeugt wird, gesetzt. Die beschriebenen konstruktiven Lösungen sind insbesondere vorteilhaft, da sie das Voreinstellen während des Entwurfs der gesamten Auslöse-Charakteristik der elektrischen Schutzvorrichtung erlauben.
Das maximale Zeitintervall für Auslösung ist tatsächlich definiert durch die Summe der Ladezeiten der kapazitiven Elemente 49 und 42. Andererseits wird, für Erdkriechstromwerte, welche relativ höher als die nominalen Werte sind, die Ladezeit des kapazitiven Elements 49 vernachlässigbar, während die Ladezeit des kapazitiven Elements 42 konstant bleibt. Dementsprechend wird eine minimale Auslösezeit eingestellt. Schließlich erlaubt der Kalibrationswiderstand, den minimalen Auslösestrom zu bestimmen durch Erzeugen der Referenzspannung 48. Die Auslöse-Charakteristik der elektronischen Schutzvorrichtung kann daher völlig während des Entwurfs definiert werden. Dementsprechend ist es möglich, die Auslöse-Charakteristik der elektronischen Schutzvorrichtung im Voraus zu bestimmen, welche es erlaubt, die Anforderungen des elektrischen Nutzers besser zu treffen.
Es ist auch sehr wichtig, dass Vorentladung der kapazitiven Elemente 49 und 42 erfolgt, wenn die Bedingungen zur Erzeugung eines elektrischen Auslösesignals nicht auftreten, gemäß den beschriebenen Kriterien.
Dieses erlaubt es tatsächlich, unerwünschte Auslöseereignisse (ungelegene Auslösungen) zu vermeiden, welche durch Akkumulation von Ladungen in den kapazitiven Elementen 49 und 42 hervorgerufen werden. Das Vorhandensein von akkumulierter Ladung würde tatsächlich die Ladezeit der kapazitiven Elemente 42 und 49 reduzieren, und es wäre daher nicht mehr länger möglich, ein voreingestelltes minimales Zeitintervall, nach welchem die Auslösung auftritt, sicherzustellen.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weisen die ersten elektronischen Mittel 34 vierte Sensormittel 60 auf zur Verbindung mit den ersten Sensormitteln 33. Mit Bezug auf 8 erhalten die vierten Sensormittel 60 von den ersten Sensormitteln 33 ein elektrisches Signal 61, welches anzeigend ist für den Wert des Erdkriechstroms und erzeugen ein elektrisches Stromsignal 62, welches anzeigend ist für den Absolutwert des Erdkriechstroms.
Vorteilhafterweise weisen die Sensormittel 60 einen fünften Schaltungsblock 63 von niedriger Impedanz auf, welcher elektrisch verbunden mit den ersten Sensormitteln 33 ist, um deren linearen Betrieb sicherzustellen. Ein sechster Schaltungsblock 64 ist weiterhin aufgewiesen und ist elektrisch verbunden mit dem Schaltungsblock 63, um das elektrische Signal 61 zu empfangen, welches anzeigend für den Wert des Erdkriechstroms ist und um ein elektrisches Stromsignal 62 zu erzeugen, welches anzeigend für den Absolutwert des erkannten Erdkriechstroms ist. Bevorzugt wird das Stromsignal 62 in Eingang an den Kalibrationswiderstand 620 gesendet, um die Referenzspannung 48 zu erzeugen. Vorteilhafterweise ist ein siebter Filter-Schaltungsblock 65 aufgewiesen, welcher mit Mitteln zum Eliminieren von Rauschen hoher Intensität (Schutzdioden) und/oder hochfrequentem Rauschen (ein RC-Netzwerk) versehen ist. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da sie es erlaubt, die Leistung der Sensormittel 33 zu optimieren, insbesondere wenn, wie es üblicherweise in der Praxis auftritt, diese einen Stromwandler aufweisen. In diesem Fall kann die Sekundärwicklung des Stromwandlers unter im Wesentlichen Idealbedingungen arbeiten (d.h. nahe an dem Kurzschlusszustand).
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten elektronischen Mittel 34 sechste Sensormittel 70 auf zur Erzeugung eines elektrischen Auslösesignals, wenn die ersten Sensormittel 33 versagen. Mit Bezug auf 9 weisen die Sensormittel 70 vorteilhafterweise einen neunten Schaltungsblock 71 auf zur Messung vorbestimmter physikalischer Parameter, welche anzeigend für den Betriebszustand der ersten Sensormittel sind. Wenn z.B. die Sensormittel einen Stromwandler aufweisen, ist es möglich, den äquivalenten Widerstand der Sekundärwicklung des Wandlers zu messen. Wenn die Werte des physikalischen Parameters nicht innerhalb eines voreingestellten Bereichs sind, erzeugt der Schaltungsblock 71 ein drittes Freigabesignal 72 für einen siebten Schaltungsblock 73, welcher elektrisch verbunden ist mit dem ersten Schaltungsnetzwerk 37. Der Schaltungsblock 73 erzeugt, folgend dem Empfang des Freigabesignal 72, ein elektrisches Stromsignal 40 zur Sendung in Eingang an das Schaltungsnetzwerk 37, um ein elektrisches Auslösesignal 39 zu erzeugen.
Diese konstruktive Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da sie es erlaubt, die Möglichkeit eines Betriebsversagens der elektrischen Schutzvorrichtung, z.B. wegen eines während des Zusammenbaus der Sensormittel 33 erlittenen Schadens, zu vermeiden.
Wieder mit Bezug auf 2 sind die Aktuationsmittel vorteilhafterweise verbunden mit fünften Sensormitteln 75, welche dazu geeignet sind, ein elektrisches Auslösesignal (39 und/oder 18) zu empfangen und ein oder mehrere steuerelektrische Signale 750 zur Aktivierung der Aktuationsmittel zu erzeugen. Die fünften Sensormittel 75 weisen bevorzugt einen achten Schaltungsblock (nicht gezeigt) auf, welcher mit einer Ausgangsstufe vom Latch-Typus versehen ist, welcher zwei stabile Betriebszustände hat. Die fünften Sensormittel 75 weisen vorteilhafterweise fernerhin eine oder mehrere elektronische Schaltungen (z.B. eine geeignet konfigurierte Transistorstufe) auf, welche einen relativ hohen Ausgangsstrom sicherstellen. Auf diese Art ist es möglich, Aktuationsmittel eines anderen Typus' zu steuern, ohne die ersten elektronischen Mittel 36 im Wesentlichen zu modifizieren.
Vorteilhafterweise weist die elektronische Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung (2) dritte elektronische Mittel 130 auf, welche elektrisch mit der Netzleitung 32 verbunden sind, um eine Versorgungsspannung V_CC an die ersten und/oder zweiten elektronischen Mittel 34 und 16 bereitzustellen.
Mit Bezug auf 10 können die dritten elektronischen Mittel z.B. eine Gleichrichterstufe 131 (z.B. eine Diodenbrücke) aufweisen, welche verbunden ist mit einer Filterstufe 132 (z.B. ein RC-Netzwerk), welches wiederum verbunden ist mit einer Regulationsstufe 133, welche dazu geeignet ist, die verschiedenen Spannungsniveaus (Bezugszeichen 134) bereitzustellen, welche verwendet werden, die verschiedenen Komponenten zu versorgen oder für die Spannungsreferenzen (wie z.B. die Referenzspannungen V_R, V_RIF1, usw.).
In der Praxis wurde festgestellt dass die elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung 30 gemäß der Erfindung die beabsichtigte Absicht und Ziele vollständig erreicht.
Weiterhin wurde festgestellt, dass die elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung 30 einfach zu niedrigen Kosten herzustellen ist. Insbesondere können die ersten und/oder zweiten und/oder dritten elektronischen Mittel in eine mikroelektronische Halbleiterschaltung integriert werden, insbesondere in eine Schaltung des ASIC-(Application-Specific Integrated Circuit)-Typus oder in einen Microcontroller.
Dies erlaubt, die Raumbelegung erheblich zu reduzieren, während die Herstellungskosten reduziert und die Betriebszuverlässigkeit verbessert wird.

Claims

Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) für eine Niederspannungsnetzleitung (32), aufweisend: – einen beweglichen Kontakt (31) und einen festen Kontakt (31), welche gegenseitig gekoppelt/entkoppelt werden können; und – erste Sensormittel (33) zur Erkennung eines Erdkriechstroms und zur Erzeugung eines elektrischen Signals, welches anzeigend ist für den Wert des Erdkriechstroms; und – erste elektronische Mittel (34), welche elektrisch mit den ersten Sensormitteln (33) verbunden sind, um zu erzeugen, auf der Basis des elektrischen Signals, welches anzeigend für den Wert des Erdkriechstroms ist, ein elektrisches Auslösesignal; und – Aktuationsmittel (35), welche operativ mit dem beweglichen Kontakt (31) verbunden sind, um in Antwort auf steuerelektrische Signale (75) die Trennung des beweglichen Kontakts (31) von dem festen Kontakt (31) auszuführen; dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: – zweite Sensormittel (15) zur Erkennung eines oder mehrerer physikalischer Werte, welche anzeigend sind für den Betriebszustand der elektronischen Vorrichtung (30) zum Schutz gegen Erdkriechstrom; und – zweite elektronische Mittel (16), welche elektrisch mit den zweiten Sensormitteln (15) verbunden sind, zum Empfangen von den zweiten Sensormitteln (15) von elektrischen Signalen (17), welche für den Betriebszustand der elektronischen Vorrichtung (30) anzeigend sind zum Schutz gegen Erdkriechstrom und zur Erzeugung eines elektrischen Auslösesignals (18), abhängig von dem elektrischen Signal (17).
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Sensormittel (15) wenigstens einen Sensor (151) aufweisen, der innerhalb und/oder außerhalb der elektronischen Vorrichtung zum Schutz gegen Erdkriechstrom zur Erkennung der Betriebstemperatur der elektronischen Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) und zur Erzeugung eines elektrischen Signals (160) angeordnet ist, welches anzeigend für den Wert der erkannten Temperatur ist, für die zweiten elektronischen Mittel (16).
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Sensormittel aufweisen wenigstens einen Sensor (152) zur Erkennung der Spannung einer Phase der Niederspannungsnetzleitung (32) und zur Erzeugung eines elektrischen Signals (171), welches anzeigend für den Wert der erkannten Spannung ist, zur Sendung an die zweiten elektronischen Mittel (16).
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Sensormittel (15) wenigstens einen Sensor (153) zur Erkennung des elektrischen Kontinuitätszustands des Neutralleiters der Netzleitung und zur Erzeugung eines elektrischen Signals aufweisen, welches anzeigend ist für den elektrischen Kontinuitätszustand, zur Sendung an die zweiten elektronischen Mittel (16).
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Sensormittel (15) wenigstens einen Sensor (154) zur Erkennung des Status der elektrischen Kontinuität des Grundleiters der Netzleitung (32) und zur Erzeugung eines elektrischen Signals (173) aufweisen, wel ches anzeigend ist für den elektrischen Kontinuitätszustand, zur Sendung an die zweiten elektronischen Mittel (16).
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Sensormittel (15) wenigstens einen Sensor (155) zur Erkennung des korrekten Verbindungszustands der Phasen- und Neutralleiter der Netzleitung (32) und zur Erzeugung eines elektrischen Signals aufweisen, welches anzeigend ist für den Verbindungszustand, zur Sendung an die zweiten elektronischen Mittel (16).
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (34) und zweiten elektronischen Mittel (16) ein erstes Schaltungsnetzwerk (37) zur Erzeugung eines elektrischen Auslösesignals folgend dem Empfang in Eingang eines elektrischen Stromsignals aufweisen.
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten elektronischen Mittel (16) ein zweites Schaltungsnetzwerk (20) zur Erzeugung eines elektrischen Auslösesignals (18) folgend dem Empfang in Eingang eines elektrischen Spannungssignals (17) aufweisen.
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektronischen Mittel (34) aufweisen: – erste Schaltungsmittel (36) zur Erzeugung eines elektrischen Auslösesignals nach einem voreingestellten Zeitintervall; und/oder – zweite Schaltungsmittel (46) zur Bestimmung eines Minimalwerts des Erdkriechstroms, wobei ein elektrisches Auslösesignal erzeugt wird für Erdkriechstromwerte höher als der Minimalwert; und/oder – dritte Schaltungsmittel (45) zur Erzeugung eines Auslösesignals innerhalb eines maximalen Zeitintervalls, welches gemäß einer wesentlichen Beziehung von inverser Proportionalität berechnet wird in Hinsicht auf einen generischen Stromwert höher als der Minimalwert.
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektronischen Mittel (34) vierte Schaltungsmittel (60) zur Verbindung mit den ersten Sensormitteln (33) aufweisen, wobei die vierten Schaltungsmittel (60) von den ersten Sensormitteln ein elektrisches Signal (61) erhalten, den Wert des Erdkriechstroms anzeigend, und ein elektrisches Stromsignal (62) von dem Absolutwert des Erdkriechstroms erzeugen.
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuationsmittel elektrisch verbunden sind mit fünften Schaltungsmitteln, welche dazu geeignet sind, das elektrische Auslösesignal von den ersten und/oder zweiten elektronischen Mitteln zu erhalten und ein oder mehrere steuerelektrische Signale zur Aktivierung der Aktuationsmittel zu erzeugen.
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektronischen Mittel sechste Schaltungsmittel zur Erzeugung eines elektrischen Auslösesignals aufweisen, wenn die ersten Sensormittel versagen.
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dritte elektronische Mittel (130) aufweist, welche elektrisch verbunden sind mit der Niederspannungsnetzleitung (32), um eine Versorgungsspannung für die ersten und/oder zweiten elektronischen Mittel (34, 16) bereitzustellen.
Elektronische Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (30) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten und/oder dritten elektronischen Mittel (34, 16, 130) zumindest teilweise in einer oder mehreren mikroelektronischen Halbleiterschaltungen integriert sind.