EP0006894B1

EP0006894B1 - Fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: EP0006894B1
Application number: EP78900088A
Authority: EP
Inventors: Nicolas Gath
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-08-22
Filing date: 1978-08-18
Publication date: 1981-06-03
Also published as: IT1098158B; DE2860745D1; LU78012A1; EP0006894A1; JPS5453275A; IT7826862A0; WO1979000105A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fehlerstromschutzschalter, dessen betriebsstromführende Leiter mit einem Kern verkettet sind, dessen magnetischer Induktionsfluß im Fehlerfall das Ansprechen eines Auslösers bewirkt, indem ein Anker des Auslösers bei Überlagerung eines Dauermagnetfeldes mit einem vom Fehlerstrom bewirkten Magnetfeld vom magnetischen System des Auslösers abfällt, wobei der kern Teil des magnetischen Systems der Auslösers ist.
Bei den bisher üblichen Fehlerstromschutzschaltern wird der Fehlerstrom dadurch festgestellt, daß die betriebsstromführenden Leiter als Spulen über den Kern eines Summenstromwandlers gewickelt sind. Falls ein Fehlerstrom fließt, der aus Wechselstrom besteht, wird in einer Sekundärspule ein Wechselstrom hervorgerufen, der durch die Spule des magnetischen Systems, mit einem Dauermagneten, des Auslösers geleitet wird. Die dabei erzeugte Durchflutung vermindert den vom Dauermagneten erzeugten Induktionsfluß und damit die Anziehungskraft auf den Anker des Auslösers. Der Anker wird freigegeben, er fällt ab, wodurch der Fehlerstromschutzschalter abschaltet.
Wenn jedoch ein aus Gleichstrom bestehender Fehlerstrom fließt, so wird dieser vom Wandler herkömmlicher Art nicht übertragen und die Abschaltung unterbleibt. Wenn der Gleichstrom so stark ist, daß die Induktion des Dauermagneten des Auslösers sich im Sättigungsgebiet befindet, so reagiert ein solcher Fehlerstromschutzschalter selbst bei einem zusätzlich auftretenden Fehlerstrom mit Wechselstromkomponenten überhaupt nicht mehr bestimmungsgemäß.
Ein Fehlerstromschutzschalter, dessen magnetischer Fluß im Anker durch Überlagerung zweier Magnetflüsse aufgehoben wird, arbeitet nach dem Gegenerregungsprinzip.
Nach dem Sperrmagnetprinzip wird der Magnetfluß zum Anker unterbunden. Es ist bekannt, in einem nach dem Sperrmagnetprinzip arbeitenden Fehlerstromschutzschalter die betriebsstromführenden Leiter direkt durch Polschenkelfenster des Sperrmagneten zu führen (DE-OS 19 09 085). Bei einem solchen Fehlerstromschutzschalter wirkt sich die Remanenz ungünstiger aus als bei den derzeit üblichen Fehlerstromschutzschaltern, die nach dem Gegenerregungsprinzip arbeiten. Dies liegt an den erforderlichen größeren magnetischen Systemen zu Halten des Ankers, da die dicken betriebsstromführenden Leiter durch ein Fenster des magnetischen Systems, des sogenannten Sperrmagneten, gelegt werden. Die Länge der magnetischen Kraftlinien wird dabei etwa zehnmal größer als bei den derzeit üblichen Fehlerstromschutzschaltern, die nach dem Gegenerregungsprinzip arbeiten. Andererseits will man die Dimensionen des Ankers nicht vergrößern, da sonst die zur Auslösung nötige Energie ansteigt. Auf einen kleinen Anker wirkt sich jedoch ein im magnetischen System bestehender Remanentmagnetismus viel stärker aus. Die Folgen dieser Remanenz können sein, daß der Schalter nach einer voraufgegangenen Abschaltung, die einen Remanentmagnetismus hinterlassen hat, nicht mehr eingeschaltet werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fehlerstromschutzschalter zu entwickeln, der auf gleichstromkomponenten ansprechen kann und ohne elektrische Übertragungsmittel, wie Sekundärspule, auskommt. Die Lösung der geschilderten Aufgabe besteht darin, daß der Kern seinerseits in mehreren Windungen die betriebsstromführenden Leiter umschließt.
Bei Gleichstrom einer bestimmten Richtung kann der Fehlerstromschutzschalter ansprechen, da auch ein Gleichstrom-Fehlerstrom im magnetischen System des Auslösers einen Magnetfluß erzeugen kann, und weil die betriebsstromführenden Leiter direkt durch den Kern geführt sind. Dabei werden jedoch die Nachteile der bekannten Fehlerstromschutzschalter, die nach dem Prinzip des Sperrmagneten arbeiten, vermieden, da die betriebsstromführenden Leiter beim erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalter eine erhöhte Durchflutung bewirken.
Durch ein zweites magnetisches System, das bei Gleichstrom entgegengesetzter Polarität anspricht, kann sonach ein Fehlerstromschutzschalter gebaut werden, der auf Gleichstrom-Fehlerströme beliebiger Richtung anspricht, wie es an sich bekannt ist (DE-OS 21 63 402).
Darüber hinaus kann man nach einer Weiterbildung die Remanenz dadurch abbauen, daß der Kern zumindest auf einem Teil seiner Länge in zwei Bahnen aufgeteilt ist und daß auf jeder dieser Bahnen eine Spule gewickelt ist, die an einer Wechselstromquelle angeschlossen ist, und die zusammen einen magnetischen Umlaufsinn ergeben. Man kann den Kern auch hohl ausbilden, so daß er einen elektrischen Leiter aufnehmen kann, der an eine Weckselstromquelle angeschlossen ist.
Einen Fehlerstromschutzschalter nach dem Gegenerregungsprinzip kann man so aufbauen, daß das magnetische System des Auslösers aus drei beidseits an ihren Enden miteinander verbundenen Schenkeln besteht, dessen einer Schenkel den Kern für die betriebsstromführenden Leiter bildet und in dessen einem der anderen Schenkel der Dauermagnet und der Anker des Auslösers angeordnet sind. Dadurch wird die Weglänge des vom Dauermagneten erzeugten magnetischen Flusses, der den Anker festhält, verkürzt und der Streufluß vermindert. Man kann auch das magnetische System der Auslösers aus drei beidseits an ihren Enden miteinander verbundenen Schenkeln aufbauen, wobei einer der Schenkel den Kern für die betriebsstromführenden Leiter bildet und wobei in den anderen Schenkeln der Dauermagnet bzw. der Anker des Auslösers angeordnet sind.
Man kann im magnetischen System des Auslösers des Fehlerstromschutzschalters eine magnetische Spannung einprägen, wobei der Induktionsfluß im magnetischen System des Auslösers dann vom Innenwiderstand des Dauermagneten unabhängig wird. Dies erzielt man einfach dadurch, daß der Dauermagnet an einem Schenkel des magnetischen Systems seitlich anliegt, wie es in den Figuren 4, 5 und 2 veranschaulicht ist.
Man kann einen Fehlerstromschutzschalter erfindungsgemäß auch einfach dadurch aufbauen, daß das magnetische System des Auslösers einen geschlossenen Kreis bildet, in dem zwischen dem Kern für die betriebsstromführenden Leiter und dem Anker des Auslösers zumindest ein Dauermagnet liegt und daß bei zwei Dauermagneten diese in einer Flußrichtung angeordnet sind.
Die Erfindung soll anhand von in der Zeichnung grob schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erlaütert werden:

In den Fig. 1 und 2 ist veranschaulicht, wie man eine Spannungsquelle mit eingeprägter magnetischer Spannung herstellen kann.
In Fig. 3 ist der prinzipielle Aufbau eines Fehlerstromschutzschalters wiedergegeben.
In Fig. 4 ist eine Ausgestaltung des Fehlerstromschutzschalters dargestellt.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausgestaltung des Fehlerstromschutzschalters wiedergegeben.
In Fig. 6 ist eine Weiterbildung des Fehlerstromschutzschalters dargestellt.
In Fig. 7 ist ein andersartig weitergebildeter Fehlerstromschutzschalter dargestellt.

Der Fehlerstromschutzschalter nach Fig. 3 weist ein magnetisches System 1 aus magnetisch leitendem Material auf. Hierfür eignet sich Weicheisen oder eine hochpermeable Nickel-Eisen-Legierung. Ein Kern 3, der um die betriebsstromführenden Leiter 8 gewickelt ist, ist Teil des magnetischen Systems. Der Kern 3 kann aus Weicheisen oder einer hochpermeablen Nickel-Eisen-Legierung bestehen.
Dieser Draht wird beispielsweise mehrere Male durch das Loch bzw. Fenster der Spulen 5, für je einen betriebsstromführenden Leiter 8, hindurchgeführt. Der Einfachheit halber ist in den Figuren der Zeichnung jeweils nur eine Spule 5 für einen betriebsstromführenden Leiter 8 dargestellt. Dar betriebsstromführende Leiter 8 könnte durch den spulenförmig ausgebildeten Kern 3 auch lediglich einfach, also nicht in Form einer Spule durchgeführt sein.
Wie bei einem Transformator die elektrische Spannung der Sekundärspule um so größer wird, je höher die Windungszahl der Sekundärspule ist, so wird hier die magnetische Spannung mit der Zahl der Windungen des Kerns höher. Dadurch wird die vom betriebsstromführenden Leiter bewirkte Durchflutung gesteigert.
Nach Fig. 3 wird der Magnetfluß zum Halten eines Ankers 4 durch Dauermagneten 11 und 11 b erzeugt. Die Dauermagneten 11 a und 11 b sind so angeordnet, daß sie eine magnetische Induktion einer Umlaufrichtung erzeugen und daß zwischen Anker 4 und Kern 3 möglichst wenig Streulinien auftreten können. Der Anker 4 wirkt in üblicher Weise auf ein Schaltschloß 6. .Mit 7 ist die Umlaufrichtung einer von den Dauermagneten 11 a und 11 b erzeugten magnetischen Induktion veranschaulicht. Der Kern 3 umschließt die betriebsstromführenden Leiter 8 in mehreren Windungen. Ein minimaler Abstand zwischen den einzelnen Windungen des Kerns 3 läßt sich dadurch erzielen, daß um das magnetisch leitende Material eine Hülle aus unmagnetischem Material als Distanzhlater aufgezogen wird.
Die Anordnung nach Fig. 3 kann als eine Serienschaltung einer Magnetspannungsquelle, bestehend aus den Dauermagneten 11 und 11b, mit einem Kern 3 und dem Anker 4 aufge-. faßt werden. Der Fehlerstromschutzschalter spricht an, wenn ein Fehlerstrom im Kern 3 einen magnetischen Fluß entgegen der Induktionsrichtung 7 erzeugt, so daß durch den Anker 4 kein oder nur so wenig magnetischer Fluß fließt, daß der Anker 4 abfallen und das Schaltschloß 6 auslösen kann. Dieses bewirkt dann in üblicher Weise die Unterbrechung der betriebsstromführenden Leiter an vorgesehen Schaltkontakten.
Zur Unterdrückung des remanenten Magnetismus kann man den Kern nach Fig. 6 in seiner Länge in zwei Bahnen aufteilen. Der Induktions": flußleiter des magnetischen Systems ist dort in die Bahnen 3a und 3b aufgeteilt. Auf jede dieser Bahnen ist eine Spule 61 und 62 gewickelt. Die Spulen 61 und 62 sind am einen Ende bei 63 verbunden und an ihrem anderen Ende 64 bzw. 65 mit einer Wechselstromquelle 66 verbunden. Der Aufbau entspricht im übrigen dem nach Fig. 4, wobei der Permanentmagnet mit 11 bezeichnet ist. Der von den Spulen 61 und 62 erzeugte Induktionsfluß verläuft in Richtung des Umlaufssinns 7, falls der Wechselstrom im Augenblick der Betrachtung vom Punkt 65 zum Punkt 64 fließt.
Der von den beiden Spulen 61 und 62 erzeugte Induktionsfluß verläuft über die Bahnen 3a und 3b des Kerns, jedoch nicht über den Schenkel des Auslösemagneten mit dem Anker 4. Er stört also den magnetischen Fluß, der den Anker 4 festhält, nicht; er baut jedoch den remanenten Magnetfluß ab. Die Bahnen 3a und 3b des Kerns weisen günstigerweise gleichen Querschnitt auf.
Man kann die Remanenz auch dadurch vermindern, daß der Kern 3 hohl ausgebildet wird und einen elektrischen Leiter 71 aufnimmt, der an eine Wechselstromquelle 66 angeschlossen ist, wie es in Fig. 7 bei grundsätzlichem Aufbau nach Fig. 4 veranschaulicht ist. Betriebsstromführende Leiter sind einzeln eingezeichnet, L1, L2, L3, N, und gemeinsam mit 8 bezeichnet. Bei einem Aufbau nach Fig. 7 ist der Induktionsflußleiter für den Kern 3 beispielsweise ein Rohr aus weichmagnetischem Material. Durch dieses Rohr kann ein elektrisch isolierter Kupferdraht geführt werden. Der ihn durchfließende Wechselstrom bewirkt einen Induktionsfluß, der innerhalb der Wandung des Rohres eine Bahn beschreibt, die die Form eines Kreises hat, dessen Zentrum auf der gedachten Mittelachse des Rohres liegt.
Zur Verkürzung des Weges, den der magnetische Fluß, welcher den Anker des Auslösers hält, zurücklegen muß, also zwischen einem als Magnetspannungsquelle dienenden Dauermagneten und dem Anker, kann man das magnetische System 1 des Auslösers entsprechend Fig. 4 ausbilden. Auch dieser Fehlerstromschutzschalter arbeitet ebenso wie der nach Fig. 3 nach dem Prinzip der Gegenerregung. Die betriebsstromführenden Leiter 8, im Ausführungsbeispiel ist nur eine Spule 5 dargestellt, sind mit dem spulenförmigen Kern 3 verkettet. Das magnetische System 1 des Auslösers besteht aus drei beidseits endständig miteinander verbundenen Schenkeln 41, 42 und 43. Die Verbindungsstellen sind mit 44 und 45 bezeichnet.
Der Fehlerstromschutzschalter nach Fig. 4 löst dann aus, wenn der in der Anordnung der Spulen 5, von denen der Übersichtlichkeit wegen wieder nur eine Spule 5 dargestellt ist, fließende Strom im Kern 3 einen magnetischen Fluß hervorruft, der hier von links nach rechts verläuft. Ein Teil dieses Flusses fließt über den Schenkel 41. Hier überlagert er sich dem Fluß, der den Anker hält - Flußrichtung 7. Da beide Flüsse entgegengesetzte Richtung haben, vermindert sich der über den Anker fließende gesamte Fluß und der Anker fällt ab.
Man kann das magnetische System des Auslösers nach Fig. 5 auch aus drei beidseits an ihren Enden miteinander verbundenen Schenkeln 41, 42, 43 aufbauen, wobei ein Schenkel wieder den Kern 3 für die betriebsstromführenden Leiter bildet und wobei in den anderen Schenkeln 42, 41 der Dauermagnet 11 1 bzw. der Anker 4 angeordnet sind. Auch dieser Fehlerstromschutzschalter arbeitet nach dem Prinzip der Gegenerregung; der Anker 4 fällt also ab, wenn im Kern 3 ein Fluß induziert wird, der - anhand der Zeichnung orientiert - von links nach rechts, also von der Verbindungsstelle 44 über den Kern 3 zur Verbindungsstelle 45 verläuft.
Legt man einen Dauermagneten nach Fig. 1 auf einen flachen Induktionsflußleiter, also auf einen magnetisch leitenden Körper, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, wobei der Abstand zwischen Dauermagnet 11 und Induktionsflußleiter 22 übertrieben dargestellt ist, so erhält man eine Anordnung, die man als Magnetspannungsteiler, also als einen Spannungsteiler für magnetische Spannung, bezeichnen kann, in Anlehnung an die Wirkungsweise eines elektrischen Spannungsteilers. Man kann den Dauermagnet 11 als Quelle für einen Induktionsfluß ansehen, deren innerer Widerstand hoch ist. Gemäß Fig. 2 fließt der größte Teil des Induktionsflusses vom Nordpol N über den darunter liegenden Induktionsflußleiter 22 zum Südpol S. Der zwischen Nordpol und Südpol auftretende Abfall der magnetischen Spannung stellt einen Teil der vom Dauermagneten verfügbaren Urspannung dar. Die Anordnung nach Fig. 2 wirkt daher nach außen wie eine Quelle für magnetische Spannung. Auch ein rohrförmiger Dauermagnet, der in Längsrichtung magnetisiert ist und über einen Induktionsflußleiter nach Fig. 3 geschoben wird, stellt eine solche Magnetspannungsquelle dar. Voraussetzung ist in beiden Fällen, daß der Schenkelabschnitt, der am Dauermagnet anliegt, bzw. vom rohrförmigen Dauermagnet umschlossen wird, magnetisch ungesättigt ist. Das heißt, daß der vom Dauermagneten in den Schenkel eintretende Fluß nicht zu stark ist.
Andernfalls, wenn der magnetische Schenkel gesättigt ist, hat man eine Quelle für konstanten magnetischen Fluß, die im nachfolgenden kurz Flußquelle genannt wird. Eine magnetische Flußquelle erhält man auch, wenn man einen Induktionsflußleiter, beispielsweise einen Schenkel des magnetischen Systems, auftrennt und einen Dauermagneten einfügt. Bei einer solchen Quelle ist der magnetische Fluß konstant und ziemlich unabhängig von dem magnetischen Widerstand der angeschlossenen Schaltung.
Bei den zuvor aufgezählten drei grundsätzlichen Ausführungen ist für die beiden ersten Fälle, z.B. nach Fig. 3 und Fig. 4 die magnetische Spannungsquelle die geeignetste, indessen für die dritte Ausführung, z.B. nach Fig. 5, die magnetische Flußquelle am geeignetsten ist.
Die Unterdrückung des remanenten Magnetismus durch eine Wechselstromquelle 66 bei Fehlerstromschutzschaltern nach Fig. 6 sowie nach Fig. 7 ermöglicht es, die Auflageflächen des Ankers 4 präzis geschliffen herzustellen. Man vermeidet dabei trotzdem die Gefahr, daß der Anker durch remanenten Magnetismus kleben könnte, wenn er infolge eines eingetretenen Fehlerstroms abschalten sollte.
Der erfindungsgemäße Aufbau eines Fehlerstromschutzschalters kann sowohl auf Schutzschalter angewandt werden, die nach dem Prinzip des Sperrmagneten arbeiten, wie auf solche, die nach dem Prinzip der Gegenerregung arbeiten. Bei den veranschaulichten Fehlerstromschutzschaltern, die nach dem Prinzip der Gegenerregung arbeiten, kann man eine Auslösung für Gleichstrom-Fehlerströme beliebiger Polarität durch zwei Systeme erreichen, von denen ein System auf eine Polarität und das andere System auf die andere Polarität anspricht. Ein solcher Schutzschalter kann dann mit zwei Auslösern ausgerüstet sein, deren Dauermagnete _Dei sonst gleicher Ausführung umgekehrt ausgerichtet sind. Es ist dann zweckmäsig, beide Anker durch einen Steg miteinander zu verbinden und diesen auf dass Schaltschloß einwirken zu lassen.

Claims

1. Fehlerstromschutzschalter, dessen betriebsstromführende Leiter (8) mit einem Kern (3) verkettet sind, dessen magnetischer Induktionsfluß (7) im Fehlerfall das Ansprechen eines Auslösers bewirkt, indem ein Anker (4) des Auslösers bei Überlagerung eines Dauermagnetfeldes mit einem vom Fehlerstrom bewirkten Magnetfeld vom magnetischen System (1) des Auslösers abfällt, wobei der Kern (3) Teil des magnetischen Systems (1) des Auslösers ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3) seinerseits in mehreren Windungen die betriebsstromführenden Leiter (8) umschließt.

2. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zumindest auf einem Teil seiner Länge in zwei Bahnen (3a, 3b) aufgeteilt ist und daß auf jeder dieser Bahnen eine Spule (61; 62) gewickelt ist, die an einer Wechselstromquelle (66) angeschlossen ist und die zusammen einen magnetischen Umlaufsinn (7) ergeben (Fig. 6).

3. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3) hohl ausgebildet ist und einen elektrischen Leiter (71) aufnimmt, der an eine Wechselstromquelle (66) angeschlossen ist (Fig. 7).

4. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische System (1) des Auslösers aus drei beidseits an ihren Enden miteinander verbundenen Schenkeln (41, 42, 43) besteht, dessen einer Schenkel den Kern (3) für die betriebsstromführenden Leiter (8) bildet und in dessen einem der anderen Schenkel der Dauermagnet (11) und der Anker (4) des Auslösers angeordnet sind (Fig. 4).

5. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische System des Auslösers aus drei beidseits an ihren Enden miteinander verbundenen Schenkeln (41, 42, 43) besteht, dessen einer Schenkel (43) den Kern (3) für die betriebsstromführenden Leiter (8) bildet, wobei in den anderen Schenkeln (41, 42) der Dauermagnet (11) bzw. der Anker (4) des Auslösers angeordnet sind (Fig. 5).

6. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (11) am Schenkel (41; 42) seitlich anliegt (Fig. 4, Fig. 5, Fig. 2).

7. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische System (1) des Auslösers einen geschlossenen Kreis bildet, in dem zwischen dem Kern (3) für die betriebsstromführenden Leiter und dem Anker (4) des Auslösers zumindest ein Dauermagnet (11 a, 11 b) liegt und daß bei zwei Dauermagneten diese in einer Flußrichtung (7) angeordnet sind (Fig. 3).