DE69018467T2

DE69018467T2 - Fehlerstromschutzschalter mit schutz gegen ausfall des neutral- oder erdleiters.

Info

Publication number: DE69018467T2
Application number: DE69018467T
Authority: DE
Inventors: Joseph Matsuoka
Original assignee: Square D Co
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 1989-04-19
Filing date: 1990-05-17
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2010-05-18
Also published as: WO1991018437A1; EP0483165A4; DE69018467D1; JPH05501044A; CA2064080A1; CA2064080C; US4994933A; EP0483165B1; EP0483165A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Fehlerstromschutzschalter, der gegen Erdungsfehler, Ausfall des Nulleiters, Ausfall des Erdleiters, Umkehrung der eingehenden Verbindungen und Überspannung zwischen Nulleiter und Erde schützt. Solch ein Fehlerstromschutzschalter ist in US-A-4068276 dargestellt.

Hintergrund der Erfindung

Sie stellt bekannterweise einen Fehlerstromschutzschalter dar, der eine Netz- oder Phasenleitung in einem elektrischen System bei Feststellung eines Erdungsfehlers öffnet. Solche Schalter sind allgemein recht effektiv, indem sie einen Schutz in solchen Situationen bieten, wenn zum Beispiel eine Person eine Phasenleitung in einem Gerät oder einer Steckdose berührt.
Es gibt jedoch viele andere Situationen, in denen Fehler auftreten können. Zwei dieser Fehler sind Ausfall des Nulleiters und Ausfall des Erdleiters, wobei es sich hierbei um Öffnung der Null- oder Erdleitung handelt. Andere Fehler die auftreten können, sind, daß eine Spannung zwischen dem Null- und Erdleiter entstehen kann, sowie Umkehrung der Anschlüsse, wenn zum Beispiel eine Leitungsspannung am Nulleiter erscheint. Alle diese Fehler werden durch eine Überspannung angezeigt, die zwsichen dem Nulleiter und der Erde auftritt, und somit werden sie der Einfachheit halber hiernach als "Ausfall des Null- oder Erdleiters" bezeichnet.
In dem Bestreben, einige dieser Probleme zu lösen, wurden Fehlerstromschutzschalter geschaffen, die einen Schutz gegen Ausfall des Nulleiters beinhalten. Ein Beispiel ist im US Patent Nr. 4,598,331 (Legatti) beschrieben. In der herkömmlichen Weise beinhaltet dieser Schalter einen Differentialtransformator mit Primärgegenwicklungen und einer Sekundärwicklung, die bei einer Unausgeglichenheit zwischen der Phase und dem Nulleiter erregt wird. Wenn die Sekundärwicklung unter Strom steht, erregt ein Auslösestromkreis einen Leistungsschalter, um so die Phasenleitung zu öffnen. Zusätzlich sind die Null- und Erdleitung über eine Zusatzwicklung im Differentialtransformator miteinander verbunden. Leistungsverbindungen zwischen der Phasenleitung und dem Null- sowie dem Erdleiter liefern einen Strom, der, im Falle eines Ausfalls des Null- oder Erdleiters, durch die Zusatzwicklung fließt. Beim Ausfall des Null- oder Erdleiters wird die Sekundärwicklung leitend gemacht und erregt dadurch den Leistungsschalter, der die Phasenleitung öffnet.
Obwohl es den Anschein gibt, daß dieser Schalter in den meisten Situationen recht effektiv wäre, können wir doch unter bestimmten Umständen Probleme voraussehen. Ein Problem ist, daß, obwohl Erdungsfehler und Ausfall des Null- oder Erdleiters getrennt festgestellt werden, die Auslöseschalter, die von den Detektorschaltern gesteuert werden, jedoch ansich verbunden sind. So wird zum Beispiel die Sekundärwicklung bei der Feststellung eines Erdungsfehlers sowie auch bei der Feststellung eines Ausfalls des Null- oder Erdleiters gespeist. Demzufolge könnten diese zwei verschiedenen Eingänge störend wirken und somit verhindern, daß im Falle eines oder mehrerer Fehler korrigierend eingegriffen wird. Ein extremes Beispiel eines solchen Falles könnte sein, daß sich, wenn ein Erdungsfehler und Ausfall des Nulleiters zur gleichen Zeit auftreten, die induzierten Magnetfelder des Differentialtransformators aufheben und damit den Leistungsschalter nicht speisen. Zweitens ist es klar, daß, wenn ein Fehler in dem Differentialtransformator selbst auftreten würde, kein Schutz gegen jeglich Fehler bestünde.

Zusammenfassung der Erfindung

Nach der Erfindung wird ein Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1 geschaffen.

Aufgaben der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fehlerstromschutzschalter zu schaffen, der gegen Erdungsfehler, Ausfall des Nulleiters, Überspannung zwischen Null- und Erdleitung und Umkehrung der Anschlüsse schützt, und in dem die Auslöseschalter für diese Fehler nicht alle von einem Bauteil oder einer Gruppe von Bauteilen abhängig sind.
Eine andere Aufgabe ist es, einen Fehlerstromschutzschalter zu schaffen, der im Betrieb zuverlässig ist und ebenfalls preisgünstig hergestellt werden kann.
Diese und andere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung können mit Hilfe der folgenden Beschreibung einer ihrer Darstellungen, nur anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung, besser verstanden werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 ist das Schaltbild eines Fehlerstromschutzschalters nach der Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im Einzelnen

Bezugnehmend auf die Figur ist hier ein Fehlerstromschutzschalter nach der Erfindung abgebildet, auf den man sich generell mit der Referenznummer 1 bezieht. Der Fehlerstromschutzschalter 1 befindet sich in einem System mit einer Phasenleitung 2, einem Nulleiter 3 und einem Erdleiter 4, deren Leitungen in dieser Reihenfolge mit Anschluß 2a, 3a und 4a verbunden sind. Der Schutzschalter 1 weist einen Unterbrecher auf, der mit einem Schalter 5 am Phasenanschluß 2a gebildet wird und durch einen Solenoid 6 und einen damit verbundenen gesteuerten Siliziumgleichrichter (SCR) 7 gesteuert wird. Der Solenoid 6 und der SCR 7 sind in Reihe über die positiven und negativen Ausgangsanschlüsse 8 und 9 eines Brückengleichrichters 10, der Dioden D1 bis D4 aufweist, wobei der Eingang des Gleichrichters mit der Phase und dem Nulleiter 2 und 3 verbunden ist, angeschlossen.
Eine Erdschlußdetektorschaltung wird durch einen Differentialtransformator 11 geschaffen, in welchem die Phase und der Nulleiter ein Paar Primärgegenwicklungen (nicht gezeigt) bilden. Eine Sekundärwicklung 12, die im Falle einer Spannungsunausgeglichenheit in der Phase und dem Nulleiter gespeist wird, vervollständigt die Erdschlußdetektorschaltung.
Ein Erdschlußauslösestromkreis wird durch einen Lastwiderstand 13 parallel zur Sekundärwicklung 12 geschaffen. Die Spannung in der Wicklung 12 erscheint am Eingang eines Verstärkers 14, und der Ausgang des Verstärkers 14 ist mit dem Gate des SCR 7 durch einen Widerstand 15 und eine Diode 16 verbunden.
Strom für den Betrieb eines Schaltkreises für Ausfall des Nulleiters oder eine Erdschlußdetektorschaltung wird über eine Leitung 20 und einen Widerstand 21 zwischen der Phase und dem Nulleiter und einer Leitung 22 und einem Widerstand zwischen der Phase und dem Erdleiter geschaffen. Die Schaltung für den Ausfall des Nulleiters oder die Erdschlußdetektorschaltung wird durch einen Lichtemitter, in dieser Ausführung ein Opto- Emitter 25, in Reihe mit einer Diode 26 und einem Widerstand 27, die zwischen dein Null- und dem Erdleiter angeschlossen sind, vervollständigt.
Eine Schaltung für den Ausfall des Nulleiters oder eine Erdschlußauslöseschaltung wird durch einen Lichtdetektor, in diesem Falle einen Opto-Detektor 30, geschaffen, dessen Kollektor durch einen strombegrenzenden Widerstand 31 mit dem positiven Gleichrichterausgang verbunden ist. Der Kollektor des Opto-Detektors 30 ist ebenfalls mit dem Unterteil eines Triggertransistors 32 mit einem strombegrenzenden Widerstand 33 am Kollektor verbunden. Der Kollektor des Triggertransistors 32 ist ebenfalls mit dem Gate des SCR 7 durch eine in Forwartsrichtung wirkende Blockierungsdiode 34 verbunden. Der Leistungstrenner 1 wird durch eine Diode 35, die zwischen dem negativen Ausgangsanschluß 9 und der Erdleitung 4 angescllossen ist, vervollständigt.
Im Falle eines Erdschlußes während des Betriebs entsteht eine Unausgeglichenheit zwischen der Phase und dem Nulleiter, was zu einem induzierten Stromfluß in der Sekundärwicklung 12 des Differentialtransformators 11 führt. Dieser Stromfluß erscheint als Spannungssignal am Eingang des Verstärkers 14, welcher wiederum ein Auslösesignal an das Gate des SCR 7 des Leistungsschalters leitet.
Unter normalen Umständen existiert keine wesentliche Spannung zwischen dem Null- und dem Erdleiter 3 und 4, und der Opto- Emitter 25 wird nicht aktiviert. Wenn sich jedoch die Erdleitung 4 öffnet, wird in der negativen Halbwelle vom Nulleiter 3, durch die Diode 26, den Opto-Emitter 25 und schließlich durch die Widerstände 27 und 23 zur Phasenleitung 2 ein Strompfad erzeugt. Dieser Strom aktiviert den Opto- Emitter 25, welcher wiederum den Opto-Detektor 30 der Auslöseschaltung für den Ausfall des Nulleiters erregt.
Wenn sich der Nulleiter öffnet, wird in der positiven Halbwelle ein Strompfad von der Phasenleitung 2 durch den Widerstand 21, die Diode 26, den Opto-Emitter 25 und den Widerstand 27 zur Erdleitung 4 erzeugt. Dieser Strom aktiviert den Opto-Emitter 25, welcher wiederum den Opto-Detektor 30 der Auslöseschaltung für den Ausfall des Nulleiters erregt.
Wenn die Phasenleitung 2 versehentlich an den Erdanschluß angeschlossen wird und der Nulleiter richtig angeschlossen wurde, wird in der negativen Halbwelle ein Strompfad vom Nulleiter 3, durch die Diode 26, den Opto-Emitter 25 und den Widerstand 27 zur Erdleitung 4 erzeugt. Dieser Strom aktiviert auch wieder den Opto-Emitter 25.
Wenn eine Überspannung zwischen dem Null- und dem Erdleiter entsteht, wird die Diode 26 leitend und verursacht wiederum die Aktivierung des Opto-Emitters 25.
Beim normalen Betrieb ist der Opto-Detektor 30 abgeschaltet, und die hohe Impedanz des Kollektors hält den Trigger- Transistor 32 in der EIN-Stellung. was somit eine niedrige Spannung vom Kollektor zum Emitter verursacht.
Wenn ein Ausfall der Null- oder Erdleiters auftritt, empfängt der Opto-Detektor 30 ein optisch induziertes Signal über dem Schwellenpegel. Der meiste des durch den strombegrenzenden Widerstand 31 fließenden Stroms fließt dann durch den Opto- Detektor 30 zur negativen Leitung 9 des Brückengleichrichters 10. Dadurch kann am Kollektor eine Spannung auftreten, die niedrig genug ist, so daß der Trigger-Transistor 32 abgeschaltet wird. In diesem Fall fließt der meiste Strom, der durch den strombegrenzenden Widerstand 33 fließt, durch die in Forwärtsrichtung wirkende Blockierungsdiode 34 zum Gate des SCR 7 und speist somit den Unterbrecher.
Sollte ausschließlich ein Erdungsfehler auftreten, wird, wenn der SCR 7 ausgelöst wird, ein Strompfad von der positiven Gleichrichter-Ausgangsleitung 8 durch den Solenoid 6 und den SCR 7 gebildet. Der Strom wird dann zwischen der Gleichrichter-Diode D1 des Brückengleichrichters 10 für den Nulleiter 3 und der Diode 35 für die Erdung aufgeteilt. Wenn der Unterbrecher jedoch als Reaktion auf den Ausfall des Null- oder Erdleiters betrieben wird, wird der Erregerkreis durch die Diode 35 für die Erdung vervollständigt. Die Diode 35 stellt ebenfalls kontinuierliche Gleichrichtung im Falle eines Ausfalls des Nulleiters sicher, da der Gleichrichtereingang von der Phasenleitung und dem Erdleiter gebildet wird.
Man wird es zu schätzen wissen, daß durch den Gebrauch separater, unabhängiger Auslöseschaltungen, die Möglichkeiten, daß sich Auslösesignale stören und einen fehlerhaften Betrieb herbeiführen, vermieden werden. Weiterhin werden die Auswirkungen einer Beschädigung des einen oder anderen Auslöseschaltkreises minimalisiert, zum Beispiel besteht weiterhin Schutz auch im Falle eines Ausfalls des Null- oder Erdleiters, einer Überspannung zwischen Null- und Erleiter und bei Umkehrung der Eingangsanschlüsse, auch wenn der Differentialtransformator 11 beschädigt ist. Man hat weiterhin festgestellt, daß die Opto-Emitter/Detektor-Einrichtung nicht nur ausßerordentlich zuverlässig ist, sondern auch preisgünstig, da nur wenige Bauteile benötigt werden.
Verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen können an der beschriebenen Einrichtung vorgenommen werden, ohne von den in den anhängenden Patentansprüchen definierten Ausführungen abzuweichen. Es ist zum Beispiel möglich, daß man den Opto-Detektor 30 des Trigger-Transistors 32 und die damit verbundenen Widerstände 31 und 33 wegläßt, wenn man einen Opto-SCR in den Unterbrecher einbaut. Es ist ebenfalls möglich, daß der Unterbrecher so eingeordnet wird, daß er auch den Nulleiter öffnet. Dies würde einen Stromschlag im Falle einer Überspannung im Nulleiter verhindern.

Claims

1. Ein Fehlerstromschutzschalter (1) zum Einsatz in einem System mit einer Phase (2), Nulleiter (3) und Erdleiter (4) zwischen einer Energiequelle und einer Last, wobei der genannte Schutzschalter folgendes umfaßt:-

einen Unterbrecher (5, 6), so angeordnet, daß er auf Anregung von einem Auslösesignal die Phasenleitung (2) öffnet;

eine Erdschlußdetektorschaltung (11, 12) zur Erfassung eines Erdschlußes in dem System;

einen Erdschlußauslöseschalter (13,14) , der in Verbindung mit dem Erdschlußdetektorschalter (12) betrieben wird, um in Reaktion auf die Erfassung eines Erdschlußes ein Auslösesignal für den Unterbrecher zu schaffen;

eine Detektorschaltung für Ausfall des Null- oder Erdleiters (20-23, 25-27), zur Erfassung eines Ausfalls des Nulleiters oder eines Ausfalls des Erdleiters in dem System, wobei die genannte Detektorschaltung Einrichtungen (21, 23) zur Erfassung einer Spannung zwischen dem Null- (3) und dem Erdleiter (4) aufweist und die genannte Spannung auf einen Ausfall des Nulleiters oder einen Ausfall des Erdleiters hinweist;

einen Auslöseschalter (30-34, 7) für den Ausfall des Nulleiters oder des Erdleiters, der von dem genannten Erdschlußauslöseschalter getrennt ist;

folgendermaßen charakterisiert:-

durch den genannte Auslöseschalter (30 bis 34 und 7) für den Ausfall des Null- oder Erdleiters welcher in Verbindung mit der Detektorschaltung für den Ausfall des Null- oder Erdleiters (20) durch eine nichtelektrische Signalgeber- Verbindung (25, 30) zur Bereitstellung eines Auslösesignals für den Unterbrecher als Reaktion auf die Erfassung eines Ausfalls des Null- oder des Erdleiters betrieben wird, wobei der genannte Detektorschalter (20) für den Ausfall des Null- oder Erdleiters eine lichtemittierende Vorrichtung (25) umfaßt, die zwischen dem Null- (3) und dem Erdleiter (4) angeschlossen ist, um bei Erreichung einer vorgegebenen Spannung zwischen dem Null- (3) und dem Erdleiter (4) ein Lichtsignal abzugeben; und durch den Auslöseschalter für den Ausfall des Null- oder Erdleiters, der eine Vorrichtung zur Lichtabfühlung (30) umfaßt, um das von der lichtemittierenden Einrichtung (25) emittierte Licht zu erfassen und somit zu veranlassen, daß ein Auslösesignal an den Unterbrecher (6) übermittelt wird.

2. Ein Fehlerstromschutzschalter (1) nach Anspruch 1 dadurch charakterisiert, daß die genannte lichtemittierende Einrichtung einen Opto-Emitter (25) umfaßt, der in Reihe mit einem Gleichrichter (26) verbunden ist, wobei der genannte Gleichrichter (26) die Null-an-Erde Spannung bestimmt bei welcher der genannte Opto-Emitter (25) aktiviert wird.

3. Ein Fehlerstromschutzschalter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch charakterisiert, daß die genannte Erdschlußdetektorschaltung einen Differentialtransformator (11) umfaßt, der ein Paar Primärgegenwicklungen besitzt, von denen eine mit der Phasenleitung, die andere mit dem Nulleiter verbunden ist, und eine Sekundärwicklung (12), die im Falle einer Stromunausgeglichenheit in der Phasenleitung (2) und dem Nulleiter (3) leitend wird, wobei der Erdschlußauslöseschalter (13, 14) als Reaktion auf einen Stromfluß in der Sekundärwicklung (12) dafür sorgt, daß ein Auslösesignal an den genannten Unterbrecher (5, 6) übermittelt wird.