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Die Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutzeinrichtung, die einen Stromwandler zur
Messung eines über die Leiter eines elektrischen Leitungsnetzes fließenden
Differenzstroms, Verarbeitungsmittel mit an den Stromwandler angeschlossenen
Gleichrichtungsmitteln sowie ein an die Verarbeitungsmittel angeschlossenes
Betätigungsglied umfaßt.
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Die bekannten Fehlerstromschutzeinrichtungen schützen elektrische. Installationen gegen
Erdfehlerströme. Sie umfassen im allgemeinen einen als Ringkernwandler ausgebildeten
Stromwandler, dessen Primärwicklung von den Strömen der Leiter einer zu schützenden
Installation durchflossen werden. Eine Sekundärwicklung des genannten Stromwandlers
liefert ein Differenzfehlersignal, wenn die Summe der die Primärwicklungen
durchfließenden Ströme nicht null ist. Das Fehlersignal ist dem Differenzfehlerstrom der zu
schützenden Installation proportional.
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Ein mit der Sekundärwicklung verbundenes Auslöserelais dient dazu, die Abschaltung eines
der Fehlerstromschützeinrichtung zugeordneten Lastschalters oder Leistungsschalters zu
steuern. Der Steuerung der Abschaltung muß erfolgen, wenn der Differenzfehlerstrom
einen festgelegten Auslöseschwellwert überschreitet. Das Auslöserelais erfaßt das
Fehlersignal und löst aus, wenn das Fehlersignal einen spezifischen Ansprechwert des
Relais erreicht.
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Die Genauigkeit des, Ansprechwerts hängt in erster Linie vom Aufbau des Relais ab. Die
Herstellung eines Relais mit hoher Ansprechgenauigkeit ist schwierig und kostspielig. Zur
Kompensation der Ansprechungenauigkeit der Relais verfügen die bekannten
Schutzeinrichtungen über Mittel zur Einstellung des Ansprechwerts des Relais.
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Die Einstellmittel für den Ansprechwert des Relais ermöglichen zwar eine genaue
Auslösung, komplizieren und verteuern jedoch die Herstellung der Schutzeinrichtungen.
Polarisierte Auslöserelais haben genauere Ansprechwerte, müssen jedoch eingestellt
werden.
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In der Schweizer Patentschrift CH656262 wird eine Verarbeitungsschaltung für eine
Fehlerstromschutzeinrichtung mit einem, über eine Zenerdiode angesteuerten Unijunction-
Transistor beschrieben, der ein Relais betätigt, wenn eine Spannung an einem
Verzögerungskondensator einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Bei dieser
Einrichtung wird der Verzögerungskondensator über eine Strombegrenzerschaltung
aufgeladen, um eine konstante Auslösezeit zu gewährleisten. Die Verwendung eines
Strombegrenzers zwischen einem ersten Kondensator und dem Verzögerungskondensator
verändert jedoch den Widerstand der Verarbeitungsschaltung und führt zu einem
nichtlinearen Stromübertragungsverhalten. Darüber hinaus umfaßt diese Auslöseeinrichtung
Mittel zur Einstellung der Verzögerungszeit und des Begrenzungsstroms, die den
Auslöseschwellwert ebenfalls beeinflussen, da sie die Bürde des Stromwandlers verändern.
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Ziel der Erfindung ist eine einfach und kostengünstig herzustellende
Fehlerstromschutzeinrichtung, bei der kein Abgleich des Ansprechwerts des Auslöserelais erforderlich ist.
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Eine erfindungsgemäße Fehlerstromschutzeinrichtung umfaßt die kennzeichnenden
Merkmale gemäß Patentanspruch 1.
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Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung umfassen die Verarbeitungsmittel kombinierte
Gleichrichtungs- und Amplitudenbegrenzungsmittel mit einem ersten und einem zweiten
Wechselstromeingang, einem positiven Ausgang, einem negativen Ausgang sowie vier
Gleichrichterdioden, die als Gleichrichterbrücke zwischen die Wechselstromeingänge und
den positiven und negativen Ausgang geschaltet sind, wobei mindestens zwei der vier
Gleichrichterdioden als Begrenzerdioden ausgebildet sind.
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Nach einer anderen Ausgestaltung umfassen die Verarbeitungsmittel kombinierte
Gleichrichtungs- und Amplitudenbegrenzungsmittel mit einem ersten und einem zweiten
Wechselstromeingang, einem positiven Ausgang, einem negativen Ausgang sowie einer
Spannungsverdopplerschaltung, die zwischen die Wechselstromeingänge und den positiven
und negativen Ausgang geschaltet ist.
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Die Fehlerstromschutzeinrichtung kann einen, an den Ausgang des Stromwandlers
geschalteten Abstimmkondensator umfassen, um den genannten Stromwandler auf eine
Frequenz abzustimmen, die der Frequenz des zu messenden Fehlerstroms annähernd
entspricht.
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Die Steuermittel umfassen ein Halbleiterelement, das mit dem in Reihe zur ihm liegenden
Betätigungsglied parallel zum Speicherkondensator geschaltet ist, wobei das genannte
Halbleiterelement eine mit den Vergleichsmitteln verbundene Steuerelektrode umfaßt.
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Nach einer besonderen Ausgestaltung umfassen die Vergleichsmittel eine
Spannungsschwellendiode, die zwischen eine Klemme des Speicherkondensators und den
Steuerausgang der genannten Vergleichsmittel geschaltet ist.
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Nach einer Weiterbildung der genannten Ausgestaltungen umfassen die Vergleichsmittel
eine elektronische Schaltung mit einem Spannungsvergleicher, der einen an eine
Referenzspannung angeschlossenen ersten Eingang, einen an eine Klemme des
Speicherkondensators angeschlossenen zweiten Eingang sowie einen dem Steuerausgang der
genannten Vergleichsmittel entsprechenden Ausgang umfaßt.
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Die elektronische Schaltung ist vorzugsweise in MOS-Technologie ausgeführt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Einrichtung ein Anzeigemodul, das an
die Ausgänge zum Anschluß von Hilfsmodulen angeschlossen ist.
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Mehrere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und
Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
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Fig. 1 das Schaltbild einer Fehlerstromschutzeinrichtung bekannter Bauart;
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Fig. 2 ein erstes Schaltbild einer Verarbeitungseinheit;
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Fig. 3 ein zweites Schaltbild einer Verarbeitungseinheit;
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Fig. 4 das Schaltbild einer Verarbeitungseinheit nach einer Ausgestaltung der Erfindung
mit einer elektronischen Vergleichsschaltung;
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Fig. 5 das Schaltbild einer elektronischen Vergleichsschaltung der Verarbeitungseinheit
aus Fig. 4;
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Fig. 6 eine, einem Leistungsschalter und einem Anzeigemodul zugeordnete Einrichtung
mit einer Verarbeitungseinheit gemäß Figur.
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Fig. 1 zeigt eine Fehlerstromschutzeinrichtung nach dem bisherigen Stand der Technik,
die einem Schalter 1 zugeordnet ist. Über die Kontakte des Schalters 1 kann der Stromfluß
in den Leitern N und P eines zu schützenden Leitungsnetzes hergestellt bzw. unterbrochen
werden. Ein Stromwandler 3 mit einem ringförmig ausgebildeten Magnetkern 4 umfaßt eine
durch sämtliche Leiter 2 des Leitungsnetzes gebildete Primärwicklung 1 sowie eine in
mehreren Windungen um den Magnetkern gewickelte Sekundärwicklung 2. Die
Sekundärwicklung ist an die Eingänge 6 und 7 einer Verarbeitungseinheit angeschlossen.
Ein an die. Ausgänge 9 und 10 der Verarbeitungseinheit angeschlossenes Auslöserelais 8
bewirkt das Öffnen der Schalterkontakte, wenn es mit einem ausreichend hohen Stromsignal
beaufschlagt wird. Das Relais ist in diesem Fall beispielsweise als Polrelais ausgebildet.
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Die Verarbeitungseinheit umfaßt eine Diode 11, die zwischen die Eingänge 6 und 7
geschaltet ist. Eingang 7 ist mit dem Ausgang negativer Polarität 10 und Eingang 6 mit dem
Ausgang positiver Polarität 9 verbunden. Die Diode 11 erlaubt eine Gleichrichtung des von
der Sekundärwicklung gelieferten Signals sowie eine Begrenzung der Spannungs-
Oberschwingungen, die zu ungewollten Auslösevorgängen führen könnten.
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Bei Auftreten eines Erd- oder Differenzfehlerstroms im zu schützenden Leitungsnetz ist die
Vektorsumme der die Primärleiter durchfließenden Ströme ungleich null, und die
Sekundärwicklung erzeugt ein dem Erdfehlerstrom proportionales Signal. Der das Signal
abbildende Strom wird dem Relais 8 zugeführt. Die Auslösung der Einrichtung muß bei
einem festgelegten Wert des Fehlersignals erfolgen. Das Auslöserelais hat einen
Ansprechwert, der um einen bestimmten Nennwert schwanken kann. Um diese
Ungenauigkeit zu kompensieren, wird das Relais 8 so abgeglichen, daß sich ein genauer
Auslöseschwellwert der Einrichtung ergibt.
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Eine Verarbeitungseinheit einer Einrichtung gemäß Fig. 2 benötigt keine Mittel zum
Abgleich des Ansprechwerts des Relais. Die Verarbeitungseinheit umfaßt eine aus vier
Dioden D1, D2, D3 und D4 bestehende Gleichrichterbrücke, ein als RC-Glied
ausgebildetes Filter mit einem Widerstand 12 und einem Kondensator 13, eine
Schaltelement 14 zur Ansteuerung des Relais sowie eine in Sperrichtung geschaltete
Spannungsschwellendiode 15.
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Das bei dieser Ausgestaltung verwendete Relais ist empfindlich und muß gegen
Überspannungen geschützt werden. Zur Realisierung dieser Schutzfunktion sind die Dioden
D3 und D4 der Gleichrichterbrücke als Begrenzerdioden ausgebildet, welche die
Ausgangsspannung der Brückenschaltung begrenzen. Die Kathoden der Dioden D3 und D4
sind miteinander verbunden und bilden den positiven Ausgang der Brückenschaltung. Die
Anoden der Dioden D1 und D2 bilden den negativen Ausgang der Brückenschaltung, der
einen Schaltungspfad V speist. Die Kathode der Diode D1 sowie die Anode der Diode D3
sind mit dem Wechselstromeingang 6 und die Kathode von D2 sowie die Anode von D4 mit
dem Wechselstromeingang 7 verbunden.
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Der Widerstand 12 des Filters ist zwischen den positiven Filterausgang und einen
Schaltungspfad V+ geschaltet. Der Kondensator 13 ist zwischen die Schaltungspfade V-
und V+ geschaltet. Das Relais 8 ist über seinen Ausgang 9 an den Pfad V+ angeschlossen
und über seinen Ausgang 10 mit dem Steuerelement 14 verbunden. Das Steuerelement 14
ist bei dieser Ausgestaltung als programmierbarer Transistor oder als Unijunction-
Transistor ausgebildet, der zwischen den Schaltungspfad V- und die Klemme 10 geschaltet
ist. Die Anode der. Diode 15 ist an V- und ihre Kathode an eine Steuerelektrode des
Transistors 14 angeschlossen. Durch ein RC-Glied, das als Parallelschaltung aus einem
Kondensator 16 und einem Widerstand 17 zwischen den Ausgang 10 und die
Steuerelektrode der Transistors 14 geschaltet ist, wird die Steuerelektrode des Transistors
14 vorgespannt und geschützt.
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Das von der Sekundärwicklung des Stromwandlers gelieferte Wechselstromsignal wird
durch die Diodenbrücke D1 bis D4 gleichgerichtet. Die durch die Dioden D3 und D4 in
ihrer Höhe begrenzte Ausgangsspannung wird dem RC-Glied 12, 13 zugeführt. Das Filter
dient dazu, das Signal so zu verzögern, daß die Auslösung nach zuvor festgelegten
Auslösekurven erfolgt. Bei einem Fehlerstrom, der doppelt so hoch ist wie der
Auslösewert, kann die Verzögerung beispielsweise 100 ms betragen. Der
Speicherkondensator 13 dient neben der Filterung als Energiespeicher, um eine zuverlässige
Funktion des Polrelais zu gewährleisten.
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Übersteigt die Spannung an den Klemmen des Kondensators 13, zwischen V+ und V-, die
Schwellenspannung der Diode 15, so fließt ein Strom über die Diode 15 und die
Steuerelektrode. Der Transistor 14 wird angesteuert und schaltet durch. Die im
Kondensator gespeicherte Energie sowie der von der Sekundärwicklung gelieferte Strom
beaufschlagen das Relais, das dadurch auslöst. Die Schwellenspannung der Diode 15 ist
deutlich höher als die Spannung, die an das Relais angelegt werden muß, damit dieses
auslöst. Daraus folgt, daß die Relaisspannungen und -ströme keinen Einfluß mehr haben.
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Die Genauigkeit des Auslöseschwellwerts hängt im wesentlichen von der Genauigkeit der
Sperrspannung der Diode 15 ab, die als Zenerdiode oder Avalanchediode ausgebildet sein
kann. Der zum Zeitpunkt der Auslösung über das Relais fließende Strom ist größer als
dessen Ansprechwert. Es gibt daher keine Abhängigkeit mehr zwischen der Genauigkeit des
Relais-Ansprechwerts und der Auslösegenauigkeit.
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Fig. 3 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer Verarbeitungseinheit. Die Gleichrichterbrücke
ist hier durch eine Spannungsverdopplerschaltung ersetzt. Der Überspannungsschutz wird
durch zwei Begrenzerdioden D5 und D6 gewährleistet, die mit entgegengesetzter Polarität
in Reihe zwischen die Wechselstromeingänge 6 und 7 der Verarbeitungseinheit geschaltet
sind. Der negative, Spannungspfad V- ist an den Eingang 7 sowie die Anode der
Begrenzerdiode D6 gelegt. Die Spannungsverdopplerschaltung umfaßt einen Kondensator
18 und zwei Dioden 19 und 20. Der Kondensator 18 ist zwischen den Wechselstromeingang
6 und die Anode der Diode 19 geschaltet, deren Kathode mit dem Filterwiderstand 12
verbunden ist. Die Anode der Diode 20 mit dem Schaltungspfad V- und ihre Kathode mit
der Anode der Diode 19 sowie mit dem Kondensator 18 verbunden.
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Die Spannungsverdopplerschaltung dient zur Verstärkung des einen Fehler abbildenden
Spannungssignals, das den Eingang des durch den Widerstand 12 und den Kondensator 13
gebildeten Filters beaufschlagt. Während der negativen Halbwelle ist Eingang 6 negativ und
Eingang 7 positiv. Der von der Sekundärwicklung gelieferte Strom fließt über die Diode 20
und lädt den Kondensator 18 auf. Die Diode 19 sperrt den Sekundärstromfluß im übrigen
Schaltungsteil der Verarbeitungseinheit.
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Während der nachfolgenden positiven Halbwelle ist Diode 20 gesperrt und Diode 19
leitend. Das Filter wird mit einer Spannung beaufschlagt, die annähernd der Summe aus der
Sekundärwicklungsspannung und der Spannung des geladenen Kondensators 18 entspricht.
Der Strom fließt über den Kondensator 18, die Diode 19 sowie den Widerstand 12 und lädt
den Kondensator 13 auf.
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In der Verarbeitungseinheit gemäß Fig. 3 ist das Steuerelement 14 als Thyristor
ausgebildet, dessen Anode mit dem Ausgang 10, dessen Kathode mit dem Schaltungspfad
V- und dessen Gate mit dem als Vorspannungs- und Schutzschaltung dienenden RC-Glied
16, 17 verbunden sind. Die Spannungsschwellendiode 15 ist zwischen Anode und Gate des
Thyristors 14 geschaltet.
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Fig. 4 zeigt das Schaltbild einer Verarbeitungseinheit mit einem Abstimmkondensator 23
und einer elektronischen Vergleichsschaltung 24. Der zwischen die Eingänge 6 und 7
geschaltete Abstimmkondensator 23 liegt parallel zur Sekundärwicklung des Stromwandlers
und bildet so mit dieser einen LC-Resonanzkreis. Der LC-Kreis ist auf eine Frequenz
abgestimmt, die annähernd der Frequenz des zu schützenden Leitungsnetzes entspricht, so
daß die Amplitude des Fehlersignals verstärkt und Störsignale unterdrückt werden.
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Die elektronische Vergleichsschaltung 24 umfaßt einen an den Schaltungspfad V+
angeschlossenen ersten Eingang, einen an den Schaltungspfad V- angeschlossenen zweiten
Eingang sowie einen über einen Widerstand 25 an die Gateelektrode des Thyristors 14
angeschlossenen Ausgang. Übersteigt die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten
Eingang der Schaltung 24 einen festgelegten Wert, so schaltet der Ausgang der Schaltung
24 um und steuert die Durchschaltung des Thyristors 14.
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Fig. 5 zeigt ein Schaltbild des internen Aufbaus einer Vergleichsschaltung 24. Diese
Schaltung umfaßt einen Komparator 26 und eine Speicherzelle, die einen Ausgang des
Komparators mit dem Ausgang der Schaltung 24 verbindet, wobei eine
Referenzspannungsquelle 27 einen nichtinvertierenden Eingang des Komparators mit einer
Referenzspannung. Vref beaufschlagt und eine Widerstandsbrücke 28 zwischen den ersten
und den zweiten Eingang der Schaltung 24 geschaltet ist. Der gemeinsame Anschlußpunkt
28 der Widerstandsbrücke ist mit einem invertierenden Eingang des Komparators
verbunden.
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Liegt eine niedrige Spannung zwischen V+ und V- an, ist die Ausgangsspannung der
Widerstandsbrücke kleiner als die Referenzspannung Vref und der Ausgang des
Komparators liegt auf hohem Signalpegel, so daß er die Durchschaltung eines Transistors
30 der Speicherzelle 29 bewirkt und so den Ausgang der Schaltung 24 auf den Pfad V-
schaltet. Das Gate des Thyristors 14 liegt auf Kathodenpotential. Der Thyristor 14 bleibt
gesperrt.
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Bei einem Anstieg der Spannung zwischen V+ und V- steigt auch die Ausgangsspannung
der Widerstandsbrücke im gleichen Verhältnis an. Übersteigt die Ausgangsspannung der
Widerstandsbrücke die Referenzspannung Vref, kippt der Ausgang des Komparators 26 auf
seinen niedrigen Signalpegel und bewirkt das Sperren des Transistors 30 sowie die
Durchschaltung des Transistors 31 der Speicherzelle 29. Der Transistor 31 schaltet den
Ausgang der Schaltung 24 auf V+ und bewirkt die Durchschaltung des Thyristors 14. Bei
dieser Ausgestaltung hängt der Auslöseschwellwert vom Wert der Referenzspannung Vref
sowie den Widerständen der Brückenschaltung 28 ab.
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Um die Stromaufnahme in den Pfaden V+ und V- zu verringern, ohne die
Auslöseschwellwerte zu beeinträchtigen, sind die aktiven Bauelemente der
Vergleichsschaltung vorzugsweise in CMOS-Technologie ausgeführt.
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Nach dieser Ausgestaltung ist ein Widerstand R zwischen die Eingänge 6 und 7 geschaltet,
mit dem der Nennstrom der Schutzeinrichtung verändert werden kann. So kann der
Nennstrom beispielsweise entsprechend einem Schwellwert des Differenzfehlerstroms von
30 bis 300 mA gewählt werden.
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Um die Genauigkeit von Fehlerstromschutzeinrichtungen zu verbessern, kann die Anzahl
der Windungen der Sekundärwicklung 5 von Ringkernwandlern in Abhängigkeit von der
Permeabilität des Magnetkerns sowie von der durch die Verarbeitungseinheit gebildeten
Bürde gewählt werden.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Verarbeitungseinheit aus Fig. 4 zwei
Ausgänge 32 und 33 auf, an die ein Hilfsmodul angeschlossen werden kann. Dabei sind die
Ausgänge 32 und 33 jeweils über einen Entkopplungswiderstand 34 mit dem Schaltungspfad
V+ bzw. über einen Entkopplungswiderstand 35 mit dem Pfad V- verbunden.
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Die Spannung zwischen V+ und V- ist ein Abbild des in der Sekundärwicklung des
Stromwandlers erzeugten Fehlersignals und wird durch die Stellwiderstände nicht
verändert. Die Spannung an den Ausgängen 32 und 33 der Verarbeitungseinheiten ist bei
einem gegebenen Fehlerstromwert unabhängig vom jeweiligen Relais für alle
Schutzeinrichtungen, annähernd identisch, so daß eine Austauschbarkeit bezüglich der
Hilfsmodule gegeben ist.
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Die Entkopplungswiderstände 34 und 35 weisen hohe Widerstandswerte auf, die den Schutz
der Verarbeitungseinheit ermöglichen.
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Die Hilfsmodule können insbesondere Module zur Anzeige des Fehlerstromwerts sein.
Fig. 6 zeigt eine Fehlerstromschutzeinrichtung 36, die einem Leistungsschalter 37 und
einem Anzeigemodul 38 zugeordnet ist, welche modular angeschaltet sind.
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Das Modul 38 umfaßt eine an die Ausgänge 32 und 33 angeschlossene Anzeige 39 sowie
eine Stromversorgung 40, die die erforderliche Betriebsenergie für die Anzeige liefert. Die
Anzeige kann auf bekannte Art, beispielsweise als Analog- oder Digitalanzeige oder als
mechanische Anzeige ausgebildet sein.
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Die Fehlerstromschutzeinrichtung aus Fig. 6 ist einem Zweipol-Leistungsschalter
zugeordnet, kann jedoch genauso gut auch einem drei- oder vierpoligen Leistungsschalter
zugeordnet werden. Dabei werden je nach Fall drei bzw. vier Leiter durch den Kern des
Stromwandlers geführt.