LU79817A1 - Fehlerstromschutzschalter - Google Patents

Description

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Luxemburg, den 15. Juni 1978 Fehlerstromschutzschalter

Anmelder : Nicolas GATH, 15 rue Joseph Tockert, Luxembourg

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter zum Schutz des Menschen vor elektrischen Schlägen.

Es ist ein bekannter Nachteil der heute allgemein üblichen Fehlerstromschutzschalter, dass sie bei

Auftreten eines Gleichstrom-Fehlerstromes auf diesen nicht reagieren und auch ihre Empfindlichkeit auf

Wechselstrom-Fehlerstrom herabgesetzt wird. In einer

Patentanmeldung vom 22.08.1977»Nr. 78012, in Luxemburg i ist vorgeschlagen worden, dass die betriebsstrom-

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* führenden Leiter als Spulen auf einen Kern gewickelt werden, der aus magnetisch leitendem Material besteht - 2 - und der selbst eine Spule darstellt, die aus mehreren Windungen besteht. In diesem Kern entsteht dann beim Fliessen eines Fehlerstromes ein magnetischer Fluss φ-ρ , der nachstehend Fehlerstrommagnetfluss genannt wird, dessen magnetische Spannung relativ hoch ist und so einen Sperrinagnetauslöser in Funktion setzen kann. In einer Zusatzanmeldung vom 02.09-1977 (· v in Luxembourg,Nr. 78075, ist eine besondere Ausführungsform eines Sperrmagnetauslösers vorgeschlagen worden. Der Fehlerstrommagnetfluss wird über eine Kreuzungszone geleitet, über welche auch der magnetische Fluss fliesst, der den Anker des Auslösers festhält. Letzterer wird im folgenden Auslöserahkerhaltemagnetfluss genannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die für das Ansprechen des Sperrmagnetauslösers nötige magnetische Spannung zu verringern und so die Zahl der Windungen der aus den betriebsstromführenden Leitern gebildeten Spulen oder die Zahl der Windungen der aus magnetisch leitendem Material hergestellten Spule zu verringern.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Kreuzungszone so dimensioniert wird, dass die Länge des Weges, ' den der Fehlerstrommagnetfluss innerhalb der

Kreuzungszone durchläuft, kleiner ist als die Länge des Weges, den der Auslöserahkerhaltemagnetfluss : v/7 - 3 - ϊ·

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,; innerhalb dieser Zone durchläuft, oder dass bei !| mehreren Kreuzungszonen ·

Die beiden Teile des Leiters , die.in der Kreu- :l zungszone zusammenstossen, sollen aufeinander fluchten, |i h ij ebenso sollen die beiden Teile des Leiters 1φ^ , die in |i " der Kreuzungszone zusammenstossen, aufeinander fluchten.

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Ij Als Kreuzungszone soll dann derjenige Leiterteil be- ij | v zeichnet werden, der sich gleichzeitig in dem Bündel » i ! der Fluchtlinien des Leiters Ιφ^ und des Leiters 1φ^ ί, befindet.

i ;] In Figur 1 ist diese Kreuzüngszone ein Kubus, weil i jj die Querschnitte beider Leiter quadratisch und gleich ; gross sind. Die Fläche (3 in Figur 1, punktiert : gezeichnet) ist eine der sechs Mantelflächen dieses I Kubus. Sie grenzt letzteren gegen den linken Leiterteil ^FL (½) äes ißf'te1,3 Ιφρ (l)i eine andere gegenüber-I liegende Fläche (4) gegen den rechten Leiterteil | (1-ß) des Leiters Ιψρ (1) ab. Eine andere Fläche : -®<[>ho äer ^ Mantelflächen des Kubus grenzt diesen > gegen den oberen Leiterteil 1φ^0 (2Q) des Leiters 1φ^ (2), j eine andere darunter liegende Fläche (6) des

Kubus grenzt diesen gegen den unteren Leiterteil Ιφ^ (2U) des Leiters ab. Lie Weglänge des Fehler strommagnetflusses φρ in der Krezungszone ist durch den Abstand der Flächen (3) und F^R (4) gegeben, i :j , Sf - 4 - ï t

Die Weglänge w(j)il des Auslöserankerhaltemagnetflusses in der Kreuzungszone ist durch, den Abstand der I Flächen (5) md ^hu (6) gegeben. In dem in j Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist etwa vier mal kleiner als w^* Damit aber in Figur 2 für den magnetischen Fluss φ^ der gleiche Querschnitt wie in Figur 1 zur Verfügung steht, ist dessen Mass Mg in der Richtung senkrecht zur Ebene der beiden sich kreuzenden Leiter vergrössert worden.

Weshalb die angegebene Massnahme den gewünschten Effekt bringt, soll im Nachfolgenden auch theoretisch erklärt werden. Man nehme an, es fliesse kein Fehlerstrom, sodass null ist. Dann kann der magnetische Kreis, führt, so ausgelegt sein, dass ein Teil der

Kreuzungszone in einem Zustand ist, den man magnetische Sättigung nennen kann. Man nehme an, es trete nun ein Fehlerstrom auf, der die Abschaltstromstärke hat, und die beiden magnetischen Kreise seien so dimensioniert, dass die vom Fehlerstrom bewirkte magnetische Spannung zwischen den Flächen F^^ und F^p-jj den gleichen Wert in einer Anordnung nach Figur 1 wie in einer solchen nach Figur 2 hat. Dann ist in Figur 2 die von dem Fehlerstrom bewirkte, in Richtung des Leiters Ιψ^, verlaufende magnetische Feldstärke wesentlich grösser als in Figur 1.

Durch diese zusätzlich aufgetretene Feldstärke H^, // ! , i - 5 - ändert sich, die Stärke der magnetischen Flussdichte nicht vêinem Teil stark, da sich das magnetische Material in4 der Kreuzungszone sowieso schon vorher in gesättigtem Zustand befunden hatte. Es stellt sich aber eine neue Richtung der Elussdichte parallel zur Resultante der in dem jeweiligen Punkt wirksamen beiden magnetischen Feldstärken Eg, und ein, sodass die Komponente des magnetischen Elusses, der von 1φ^0 (2Q) nach (2U) gelangt in Eigur 2 etwa auf ein Viertel absinkt. Dagegen haben in Eigur 1 die beiden Eeldstärken Hp und weitgehend gleichen Wert. Die Resultante bildet mit einen Winkel dessen Durchschnittswert bei 45 Grad liegt. Die in Richtung vonl^^noch wirksame Komponente ist daher nur um den Eaktor sin 45° =0,7 herabgesetzt, also um wesentlich weniger als in einer Anordnung gemäss Eigur 2.

Zur Betätigung des Auslösers braucht man also gemäss Eigur 2 weniger magnetische Spannung. Unter Umständen kann man ganz darauf verzichten, den Kern K als Spule mit mehr als einer Windung auszuführen. Jenachdem welche Ansprüche man bezüglich der zulässigen grössten Abmessungen eines Schutzschalters stellt, kann man also die Massnahme der vorliegenden Patentanmeldung anwenden und den in einer einzigen Windung eines magnetischen Leiters erzeugten Eluss direkt auf den Sperrmagnetaus-löser leiten. Ausserdem kann die Massnahme auch auf einen Auslöser angewendet werden, dessen Kreuzungs- îÆ \ - 6 - zone in der Mitte ein kleines Loch senkrecht auf der Ebene der beiden Flussleiter (1) und (2) aufweist.

Macht man dieses Loch grösser und die Flussleiter schmaler, so gelangt man schliesslich zu einer Form wie sie in Figur 5 der Patentanmeldung vom 02.09.1977 Nr. 78075» Luxemburg dargestellt ist.

In den vorausgegangenen Darlegungen ist die vereinfachende Hypothese zugrundegelegt, dass die Kraftlinien parallel gebündelt in der Kreuzungszone verlaufen.

In Wirklichkeit weichen sie aber zum Teil aus dieser Zone aus, wie es in Figur.3 dargestellt ist. Dieses Ausweichen wird weitgehend unterbunden, wenn man wie in Figur 4 dargestellt, einen oder mehrere Schlitze in dem Flussleiter anbringt. Die Ebene dieser

Schlitze steht senkrecht auf der Ebene, in der sich die Flussleiter und kreuzen. Ausserdem ist sie parallel zum Fehlerstrommagnetflussleiter Ιφρ . Ein solcher Schlitz geht nicht bis in die Kreuzungszone hinein. So reicht der Schlitz(11) in Figur 4 von der Fläche » die die Kreuzungszone nach links abgrenzt, bis zu dem weiter links gelegenen Punkt (12), der von aus gesehen in einer gewissen

Mindesttiefe liegen soll, sodass eine Kraftlinie, welche in der Nähe von Ρφ^0 aus der Kreuzungszone austritt, einen weiten Umweg machen muss, bevor sie bei F^u in den beiter Ιφ^ gelangt. Der aus der Kreu- i'iy Ί/ // 1 - - 7 - zungszone ausweichende Auslöserankerhaltemagnetfluss wird dadurch stark reduziert. Stellt man sich vor, die Schlitze seien über die ganze Länge des Leiters ΙΙΐφ-ρ weitergeführt, bis dahin, wo der Leiter von der rechten Seite her auf die Fläche stösst, so ist damit der Leiter Ιφ-p in 4 Leiter auf getrennt. Bekanntlich gilt für ein homogenes magnetisches Feld H = —j— , das heisst die magnetische Feldstärke H ist gleich der magnetischen Spannung U dividiert durch die Weglänge 1. Wenn nun die vom Fehlers trom ip an den Grenzen der Kreuzungszone bewirkte Spannung IL·, gleich ist £ der magnetischen Spannung , welche von φ^ an den Grenzflächen der Kreuzungszone bewirkt wird, während die Weglänge der Kraftlinien für den Fluss viermal geringer ist als für den Fluss , so ist die von iw hervorgerufene Feldstärke Hp viermal grösser als die vom Auslöserankerhaltemagnetfluss bewirkte Feldstärke % ·

Lurch das Aufteilen des Leiters Ιφρ in vier Parallelleiterstücke (oder in vier fast ganz getrennte Parallelleiter), kann auch die Kreuzungszone als in vier Unterkreuzungszonen aufgeteilt betrachtet, werden. Für den Fluss φ^ liegen diese in Serie, und es ist in jeder Unterkreuzungszone nur ein Viertel der Spannung U^l wirksam. Für den Fluss φρ liegen diese Unterkreuzungszonen parallel, und es ist die ganze Spannung Um

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in jeder Unterkreuzungszone wirksam.

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Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit.

Bezeichnet man 5a als die Vorderansicht, so ist 5h ! die Ansicht auf die linke Seite. Die Figur 5c stellt i die Draufsicht dar, die man erhält, indem man die Figur -I 5h um 90 Grad in Richtung zum Beobachter umlegt. Diese ! Ausführung kann man sich als aus Figur 4· hervorgegangen vorstellen : Die Zahl der Windungen des Fehlerstrom- i I flussleiters ist auf 1 herabgesetzt worden, und dieser ! Leiter ist auf seiner ganzen Lange, ausser in der Kreu- zungszone, durch die drei Schlitze in 4 getrennte Leiter aufgeteilt worden. Die Herstellung eines solchen magnetischen Leitersystems erfordert keine Schweissung, wenn man als Ausgangsmaterial nahtloses Rohr verwendet.

Das Rohr soll den in der Zeichnung angegebenen Aussen-durchmesser D haben. Die lichte Weite soll d sein. Die drei Schlitze (31, 32, 33) werden mit einer Sagemaschine ^ so eingeschnitten, dass jeder der daher entstandenen Ringe (36, 37, 38, 39) noch durch einen schmalen Steg (41,42, 43) mit den übrigen Ringen verbunden ist. In Verlängerung dieser Stegreihe wird noch ein schmaler Streifen von etwa 7 cm Länge (Masstab 1 : 1 vorausgesetzt) stehengelassen, der in Figur 5 a bei (44) sich nach unten erstrecken würde. Dieser wird unterhalb (44) zweimal rechtwinklig gebogen, so, dass die beiden Ecken (46) und(47) entstehen, und dabei die U-Form des Haltemagnetes resultiert. Die Leiter (R, S, f, Mp), welche der Ver-braucheranlage die Netzenergie zuführen (auch betriebsstromführende Leiter genannt), sind durch die 4 Ringe ./iWi/fi) - 9 - .

(36, 37, 38, 39) hindurchgeführt (mir in 5 b eingezeichnet). Letztere stellen die Fehlerstromflussleiter L<f>F dar. Der Auslöserankerhaltemagnetfluss verläuft vom Kordpol des Permanentmagnetes (30) über den in 5b linken Schenkel (25), den Anker (19), den rechten Schenkel (24) zum Südpol des Permanentmagnetes (30). Der Schenkel (24) besteht aus dem kreuzungszonenfreien unteren Teil, den Kreuzungszonen (26, 27, 28, 29), sowie den zwischen den Kreuzungszonen liegenden Verbindungsstegen (41, 42, 43), sowie dem kurzen oberen kr euzungs zonenfreien Teil. Der für den Auslöserankerhaltemagnetfluss zur Verfügung stehende Querschnitt wird an drei Stellen durch die schmalen Verbindungsstege eingeengt (das Mass b ist ziemlich klein) und so einer starken Verdünnung der Kraftlinien (wie sie in Figur 3 gezeigt ist) entgegen-gewirkt.Die Sperrwirkung wird dadurch wesentlich verstärkt. Eine weitere Verbesserung der Sperrwirkung erreicht man,wenn man die in Figur 5b mit Di bezeieh- nete Dicke der Ringe grösser wählt, wodurch,wie in vkurzesten

Patentanspruch 3 angegeben, die Länge des' Weges des Auslö-serahkerhaltemagnetflusses innerhalb der Kreuzungszone gross wird im Verhältnis zur Länge des kürzesten Weges innerhalb der Kr euzungs zone, w.r\ -lies Fehlerstrommagnetflusses. In der Figur 5a φϋ ist ersichtlich, dass die kürzeste Länge des Weges w^ des Auslöserankerhaltemagnetflusses gleich ist der Dicke Di eines Ringes unddass die kürzeste Länge des Æiï' I ' I . - 10 - : Weges νίφρ innerhalb der Kreuzungszone gleich ist der

Breite b des beim Sägen stehengelassenen "Verbindungssteges .

Statt eines massiven Rohres kann man auch einen Rohrkörper verwenden, der aus mehreren (2, 5» 4 .·) inein-! ’ andergeschobenen Rohren besteht, die ohne Spiel eng ineinanderpassen. Beim Schlitzen erhält man dann 1 ‘ mehrere konzentrische Ringe. Man kann sogar einen so- I genannten Bandkern verwenden, der geometrisch ja auch ein Rohr darstellt.(Einen Bauern, genauer Ringbandkern, erhält man, wenn man ein Band von beispielsweise o,l mm Dicke und etwa 40 mm Breite auf einen Dorn von 12 mm Durchmesser zu einer Rolle aufwickelt, bis ein Durchmesser von etwa 17 mm erreicht ist. Der entstandene Rohrkörper hat dann 40 mm Länge, 17 mm Aussen-durchmesser und 12 mm lichte Weite.) Zum Schlitzen eines solchen Körpers dürfte allerdings nur eine Runken -erosionsmaschine in Rrage kommen, bei welcher ein Draht von etwa 0,2 mm das Schneidwerkzeug bildet. Zwischen diesem Draht und dem zu schneidenden Material werden elektrische Runken erzeugt, die das Material abtragen.

Hach einem bekannten Verpackungsverfahren, das bei end-* los gelöteten Bandsägeblättern verwendet wird, ist es möglich, aus einer solchen Bandsäge von beispielsweise 6*28 m Länge, die einen Kreis von 2 m Durchmesser bilden cMr - 11 - würde, einen Kranz herzustellen, der aus 3 Windungen besteht und einen Durchmesser von 0,66 m hat. Wählt man nun für D in Figur 5 ein circa fünf mal grösseres IMass, während die Wandstärke ws des Ringes gleich bleibt, so ist es möglich durch geeignetes Biegen einen Ring zu formen, in welchem von jedem der 4 Ringe 3 Windungen enthalten sind. Dabei dürfte es vorteilhaft sein, vor dem Biegen die Ringe mit. Hilfe eines Drahtes » zu einem einzigen Ring zusammenzubündeln. (Der Draht würde in gleicher Weise angebracht, wie man normalerweise eine Spule über den ganzen Umfang eines Ringbandkernes wickelt). Dieses ringförmige Bündel wird nun als Ganzes gebogen und geformt, so zwar, dass der neue entstehende ringförmige Körper aus drei Windungen des Ringbündels besteht. Es liegen dann hauptsächlich magnetische Leiterstücke nebeneinander, die gleiches magnetisches Potential führen, und der Streufluss von· einer Windung zu einer benachbarten wird geringer. Rach dem Formen kann der aufgewickelte Draht entfernt werden.

Durch Durchleiten von Gleichstrom oder Wechselstrom durch das magnetisch leitende Kernmaterial kann man dessen scheinbare Permeabilität verbessern, das heisst die Hystereseschleife wird schmaler. In Figur 3 würde man je einen Punkt eines Ringes, der nahe bei den Bezugszahlen 36, 37, 38 und 39 liegt, mit dem einen Ausgang einer Stromquelle verbinden und einen Punkt des Magnetschenkels, nahe beim Bezugszeichen 46, mit dem andern Ausgang dieser Stromquelle. Die erzeugte Feldstärke H

(7 / Ψ'ΐ /^ - 12 - ï steht daim iimerhalh eines Ringes senkrecht auf der von einem Fehlerstrom. erzeugten Feldstärke Hp . hie zur Magnetisierung anisotropen Materials erforderliche Feldstärke in Vorzugsrichtung ist hei Vorhandensein einer zur Vorzugsrichtung senkrechten Feldstärke geringer . (Siehe Einführung in die theoretsiohe Elektrotechnik, 10. Auflage Springerverlag von K. Küpfmüller * 1973, Seite 252-253) hie Verwendung von anisotropem

Material, das eine höhere Permeabilität in der Richtung hat, in welcher die von einem Fehlerstrom in einem Ring bewirkte magnetische Feldstärke verläuft, würde dann besonders vorteilhaft.

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Claims (3)

1. Fehlerstromschutzschalter zum Schutz cles Menschen vor elektrischen Schlägen, mit einem Kern aus magnetisch leitendem Material, welcher einen magnetischen Leiter darstellt, der in einer oder zwei oder mehr Windungen mit den elektrischen Leitern verkettet ist, welche der Verbraucheranlage die elektrische Energie zuführen, gekennzeichnet dadurch, dass der Magnetfluss φ^ über einen Leiter (2) verläuft, in welchem sich eine oder 2 oder mehr Kreuzungszonen befinden, wo sich ein von einem Fehlerstrom in einem magnetischen Leiter Ιφρ (1) erzeugter Fluss φ·ρ mit dem Fluss kreuzt, wobei φ^ den Fluss darstellt, welcher von einem Permanentmagnet (30) hervorgerufen wird und welcher normalerweise einen zum Auslöser (18) gehörenden Anker (19) festhält und so die Abschaltung des Schutzschalters verhindert, wobei φ^, einen von einem Fehlerstrom hervorgerufenen magnetischen Fluss im Leiter L^^ (1) bezeichnet, wobei in der , Kreuzungszone die Richtung mit der Richtung einen von 0 Grad merklich verschiedenen Winkel bildet, wobei vorzugsweise dieser Winkel gleich • 90 Grad ist, wobei die Richtung derjenigen ✓ / * Kraftlinie des Flusses ist, welche die Kreu zungszone auf dem kürzesten Weg \νψ^ durchläuft, wobei, falls φ^ = 0, die Richtung Dj, die Richtung derjenigen Kraftlinie des Flusses ist, welche die Kreuzungszone auf dem kürzesten Weg w(j)^ durchläuft . ·

2. Fehlerstromschutzschalter gemäss Anspruch 1, ge- * kennzeichnet dadurch, dass ausser dem Leiter L(J)F ein oder zwei oder mehr solcher Fehlerstromfluss-leiter angeordnet sind, wobei jeder dieser Leiter mit dem Auelöserankerhaltemagnetflussleiter L^ eine Kreuzungszone der beschriebenen Art bildet.

3. Fehlerstromschutzschalter gemäss Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Länge des Weges w(j)ji gross ist im Verhältnis zur Länge des Weges w^ . Jip-' // /7 »