DE616310C - Selbstschalter mit verzoegertem Fehlerstromausloeser - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 25. JULI 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21c GRUPPE 6870

Tag der Bekanntmachung über die Erteilung des Patents: 4. Juli

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin*)

Selbstschalter mit verzögertem Fehlerstromauslöser Patentiert im Deutschen Reiche vom 12. Dezember 1931 ab

Zur Überwachung der Spannung des Nullleiters gegen Erde, besonders in Transformatorenstationen von städtischen und Überlandzentralen, werden sogenannte Fehlerstromauslöser zwischen Nulleiter und eine Hilfserde geschaltet, welche die Aufgabe haben, den Schalter auszulösen, wenn die Spannung des Nulleiters gegen Erde einen gewissen Betrag überschreitet. Die Auslösung soll z. B.

dann erfolgen, wenn in Netzen mit 380/220 V Betriebsspannung die Spannung des Nulleiters gegen Erde größer wird als 52 V, weil in diesem Falle die Spannung der Außenleiter gegen Erde die für Niederspannung vorgeschriebene Höchstgrenze von 250 V übersteigt. Diese Fehlerstromauslöser müssen eine geringe Verzögerung haben, die jedoch nicht größer als etwa 30 Sekunden sein soll, damit bei kurzzeitigem Auftreten von Spannungen am Nulleiter, ζ. B. bei Kurzschlüssen im Net«, nicht durch Herausfallen des Stationsschalters das ganze Netz spannungslos wird. Für den Fehlerstromauslöser stehen nur sehr geringe Energiebeträge zur Verfügung, weil er auch dann ansprechen muß, wenn der-Widerstand der Hilfserde mehrere 100Ohm beträgt; z.B. soll ein Fehlerstromauslöser nach der zur Zeit üblichen Praxis in kurzer Zeit, d. h. in höchstens 30 Sekunden, die Abschaltung bewirken, und zwar bei einem Widerstand der Hilfserde von 200 Ohm und einer Spannung von 52 V. Es stehen also für die Auslösung nur wenige Watt zur Verfügung. Andererseits besteht die Forderung, daß unterhalb einer gewissen Spannung, z. B. 24 V, überhaupt keine Auslösung eintritt, selbst wenn der Erdungswiderstand ο Ohm beträgt.

Es sind verzögerte Fehlerstromauslöser bekannt, bei denen ein elektromagnetischer Auslöser beim Auftreten der Ansprechspannung eine Masse, z. B. ein Pendel, in Bewegungsetzt, welches nach Zurücklegen eines gewissen Weges den Schalter auslöst. Hiermit lassen sich jedoch Verzögerungen von,mehr als 2 bis 3 Sekunden kaum erreichen. Diese Zeit sinkt außerdem, wenn die Spannung des Nulleiters ζ. B. bei einem Kurzschluß in einer an das Netz angeschlossenen Hausinstallation in bestimmten Fällen auf die Phasenspannung ansteigt, bis auf Bruchteile von Sekunden herunter, so daß die Selektivität gegenüber Installationsselbstschaltern oder den Sicherungen in der Hausinstallation nicht mehr gewährleistet ist. Außerdem kann bei solchen Verzögerungen durch bewegte Massen oder Hemmwerke unter Umständen die Auslösung auch dann erfolgen, wenn der Kurzschluß bereits durch die Installationssicherung-ab-

*) Van dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Or.-Ing. Wilhelm Menger in Hanau a. M.

geschaltet ist (der Nulleiter also gar nicht mehr unter unzulässiger Spannung steht), weil die einmal in Bewegung gesetzte Masse bzw. der Magnetanker auch nach Aufhören S der Erregung des Magneten ihre Bewegung noch eine gewisse Zeit lang fortsetzen.

Günstigere Verzögerungszeiten und ein sofortiges Aufhören der Bewegung nach Aufhören der Erregung wurden direkt vom ίο Strom durchflossen Wärmeauslöser zeigen, die man jedoch zu diesem Zweck noch nicht verwendet hat/ Bei der geringen zur Verfügung stehenden Energie von etwa 2 bis 3 Watt und dem geringen Strom, der nur Bruchteile von Ampere beträgt, ist es jedoch unmöglich, einen betriebssicheren Wärmeauslöser für die Spannung von 52 V und wenigen Watt Verbrauch zu bauen. Ein direkt vom Strom durchflossener Bimetallstreifen läßt sich für solche Stromstärken betriebssicher nicht herstellen, da seine Stärke nur geringe Bruchteile von einem Millimeter betragen würde. Ein mit Heizwicklung versehener Bimetallstreifen ist deswegen ungünstig, da infolge der erforderlichen Isolierung der Heizwicklung von dem Bimetallstreifen zuviel Energie verlorengeht und ferner nach Abschalten der Leitung durch einen nachgeordneten Schalter infolge der aufgespeicherten Wärme ein nachträgliches Ansprechen des Schalters eintreten kann.

Es wird daher erfindungsgemäß ein transformatorisch gespeister Wärmeauslöser benutzt, dessen mehr Windungen besitzende Primärwicklung zwischenl Nulleiter und Erde geschaltet ist und dessen geringere Windungen besitzende Sekundärwicklung einen Wärmeauslöser, z. B. einen Bimetallstreifen speist. Dieses Wärmeelement ist so ausgebildet, daß es bei der geringen zur Verfügung stehenden Leistung eine Temperatur von etwa 80 bis ioo° C erreicht, um von der Raumtemperatur in weiten Grenzen unabhängig zu sein, und eine möglichst kleine Zeitkonstante hat, weil sonst die erforderlichen kurzen Zeiten von etwa 30 Sekunden bei 52 V nicht erreicht werden können. Unter Zeitkonstante ist die Zeit zu verstehen, nach welcher der Auslöser seine normalerweise sich einstellende Endtemperatur erreichen würde, wenn keine Wärmeabfuhr stattfindet. Dieser Wert ist unabhängig von der Stromstärke. Die Zeitkonstante ist Wärmekapazität durch Kühlfaktor mal Oberfläche. Wie Versuche zeigen, sind die geforderten Werte gerade noch zu erreichen mit einem Bimetallstreifen geringer Dicke und einer Breite, die eben genug Stabilität zum Auslösen eines mechanischen Arbeitsspeichers gewährleistet, der seinerseits den Schalter auslöst.

Dieser transformatorisch gespeiste Wärmeauslöser hat noch den weiteren Vorteil, daß man den Transformatorkern so bemessen kann, daß beim Anwachsen der Spannung des Nulleiters bis zu der höchstmöglichen, nämlich der Phasenspannung, eine gewisse Sättigung eintritt, die trotz der kleinen Zeitkonstante des Wärmeelementes verhindert, daß die Auslösezeiten unten einen gewissen Betrag sinken. Der Wärmeauslöser hat den weiteren Vorteil, daß die Grenzspannung, bei deren Überschreitung eine Auslösung überhaupt, d. h. nach theoretisch unendlich langer Zeit, eintritt, nur verhältnismäßig wenig unter derjenigen Spannung (z. B. 52 V) liegt, bei der die Auslösung nach etwa 30 Sekunden eintreten soll; d. h. es werden unerwünschte Auslösungen bei geringeren Spannungen als 52 V nach Möglichkeit vermieden.

Da der Erdübergangswiderstand der Hilfserde nicht überall derselbe ist und auch an demselben Ort zeitlichen Schwankungen je nach der Erdfeuchtigkeit unterworfen ist, so ändert s-ich die Ansprechgrenzspannung der Fehlerstromauslöser entsprechend.

Ist z. B. der Fehler Stromauslöser auf 200 Ohm Erdübergangswiderstand abgeglichen, so wird die Grenzspannung bei geringerem Erdübergangswiderstand kleiner oder, was dasselbe bedeutet, die Auslösezeit bei Spannungen go oberhalb der Grenzspannung geringer. Um diese Unterschiede auszugleichen, kann erfindungsgemäß ein Ohmscher oder induktiver Widerstand vorgesehen werden, der in Reihe mit der Primärspule liegt und eine Regulierung der Grenzspannung bzw. der Auslösezeit gestattet.

In der Abb. 1 zeigt die Auslösekurve 1 einen Wärmeauslöser mit großer Zeitkonstante. Legif man durch Dimensionierung der elektrischen Daten die Auslösekurve so, daß die Auslösung bei 5 2-V-Spannung innerhalb 30 Sekunden 'erfolgt, so hat -dieser Auslöser den Nachteil, daß die Auslösegrenzspannung Eg₁ nur wenig von Null verschieden ist, so daß bei diesem Auslöser schon bei geringen auftretenden Spannungen zwischen Nulleiter und Erde eine Auslösung nach einer gewissen Xeit erfolgt.

Die Auslösekurve 2 zeigt die Charakteristik eines Auslösers mit kleiner Zeitkonstante ohne Transformator oder mit einem Transformator, der selbst bei Phasenspannung noch nicht in das Gebiet der Sättigung reicht. Die Auslösegrenzspannung £gv> ist zwar von dem Auslösepunkt 30 Sekunden bei 52 V nur wenig verschieden, der Nachteil dieser Charakteristik liegt jedoch in der zu kurzen Auslöseverzögerung bei kurzzeitigem Auftreten höherer Spannungen.

Die Auslösekurve 3 zeigt die für vorliegenden Zweck günstigste Charakteristik gemäß

der Erfindung. Sie wird erreicht durch einen Wärmeauslöser kleiner Zeitkonstante, der über einen Transformator gespeist wird, der schon bei verhältnismäßig geringer Spannung in das Gebiet der Sättigung reicht. Die Auslosegrenzspannung liegt wesentlich höher als beim Wärmeauslöser großer Zeitkonstante, und selbst beim Auftreten der Phasenspannung tritt noch eine verhältnismäßig große

ίο Verzögerung ein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Abb. 2. In einer Transformatorenstation liegt in den Phasen i?, S, T nach den Außenleitersicherungen ι der bei Nulleiterspannung ansprechende Selbstschalter 2.

In einem Teil der durch diesen Schalter geschützten Anlage entstehe ein Kurzschluß zwischen der Phase T und dem Nulleiter 0. Der Widerstand der Kurzschlußbahn sei so groß, daß die Außenleitersicherung 3 in der Phase T nicht sofort durchgeht. Der Nulleiter nimmt dann eine gefährliche Berührungsspannung gegen Erde an. Je nach der Höhe der Spannung des Nulleiters gegen Erde

as fließt dann über den veränderlichen Widerstand 9 und die Primärspule 5 des Transformators 4 Strom nach der Hilfserde. Durch die Primärwicklung S wird die Sekundärwicklung 6 induziert, welche den Bimetallstreifen 7 speist. Der Bimetallstreifen bewegt sich durch die Erwärmung in der angezeigten Pfeilrichtung und entklinkt über den Arbeitsspeicher 8 das Schalterschloß 10.

Claims (2)

1. Patentansprüche■
   i. Selbstschalter

   mit verzögertem Fehlerstromauslöser zur überwachung der Spannung zwischen Nulleiter und Erde, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslöser (7,8) als Wärmeauslöser ausgebildet ist und von der geringere Windungen besitzenden Sekundärwicklung (6) eines Transformators (4) gespeist wird, dessen mehr Windungen besitzende Primärwicklung (5) zwischen Nulleiter und Erde ge'schaltet ist, wobei Wärmeauslöser und Transformator so aufeinander abgeglichen sind, daß diejenige Spannung, bei der die Auslösung in der geforderten Zeit von etwa 30 Sekunden eintreten soll, möglichst wenig über der Grenzspannung liegt, bei deren Überschreitung eine Auslösung überhaupt eintritt, und daß bei Erreichung der vollen Phasenspannung zwischen Nulleiter und Erde die Auslösezeit, beispielsweise durch entsprechende Sättigung des Eisenkernes des Transformators (4), langer ist, als nach der Wärmezeitkonstante des Auslösers zu erwarten wäre (Kurve 3 in Abb. 1).
2. 2. Selbstschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Primärwicklung (5) und Erde (B₃ H E) ein einstellbarer Vorwiderstand (9) zur Regulierung der Grenzspannung bzw. der Auslösezeit vorgesehen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen