NL1007165C2 - Aardfoutdetectieschakeling met een minimum vertraging voor grote foutstromen. - Google Patents

Description

Aardfoutdetectieschakeling met een minimum vertraging voor grote f outstromen.

De uitvinding heeft betrekking op een aardfoutdetectieschakeling voor het detecteren van een aardfout in een door een voedingsbron via 5 voedingsleidingen gevoed circuit, omvattende een in de voedingsleidingen op te nemen stroomtransformator, op de uitgang waarvan een stroom wordt afgegeven, die een maat is voor een in het gevoede circuit en/of de voedingsleidingen optredende aardfoutstroom, een op de uitgang van de stroomtransformator aangesloten gelijkrichter voor het verkrijgen van een 10 unidirectioneel signaal, welk signaal via een integrator wordt toegevoerd aan een ingang van een vergelijker, aan een andere ingang waarvan een referentiesignaal wordt aangelegd en op de uitgang waarvan een detectie-signaal optreedt wanneer het aan de ingang aanwezige signaal groter is dan het referentiesignaal.

15 Een dergelijke schakeling is bekend uit GB-A-2 268 011, waarin een spanningsafhankelijke aardfoutdetectieschakeling is beschreven, of uit EP 0 702 4^5, die een spanningsonafhankelijke schakeling openbaart.

Aardfoutdetectieschakelingen worden gebruikt om een door middel van een voedingsbron gevoed circuit, zoals een installatie die door het 20 net wordt gevoed, te bewaken ten aanzien van aardfout- of aardlekstromen. De detectieschakeling omvat een stroomtransformator die in de voedingsleidingen is opgenomen, welke stroomtransformator een secundaire wikkeling heeft waarvan een uitgangsstroom kan worden afgeleid.

Een aardfout of aardlek manifesteert zich als een verschil tussen 25 de stromen in de voedingsleidingen, welk verschil resulteert in een uitgangsstroom, die evenredig is aan de aardfoutstroom. De uitgangsstroom van de stroomtransformator wordt gelijkgericht en eventueel versterkt en daarna afgevlakt door middel van een filter dat als integrator werkt. De afgevlakte spanning op de uitgang van de integrator wordt vergeleken met 30 een referentiespanning, die overeenkomt met het aanspreekniveau van de aardfoutdetectieschakeling. De aardfoutdetectieschakeling mag niet aanspreken bij een foutstroom van 0,5*ΐΔη, en wel aanspreken bij 1*ΐΔη. Normaal wordt de referentie gezet op een waarde overeenkomend met ca. 0,75*ΐΔη, de aanspreekdrempel. Het vergelijkingsresultaat wordt gebruikt 35 voor de bekrachtiging van een bekrachtigingsspoel die in de voedingsleidingen opgenomen contacten bedient. Een aardfoutstroom die groter is dan 1007165 2 de nominale aardfoutstroom zal dus de contacten in de voedingsleidingen in de open stand brengen.

Volgens de Britse octrooiaanvrage GB-A-2 268 011 heeft een aardfoutdetectieschakeling die de hierboven genoemde basisfuncties en 5 -componenten omvat, een reactietijd die kort is bij hoge aardfoutstromen en langer is bij lage aardfoutstromen. Met andere woorden is de vertraging in de aldus opgebouwde aardfoutdetectieschakeling omgekeerd evenredig aan de grootte van de aardfoutstromen.

De genoemde relatie tussen vertraging en grootte van de aardfout-10 stroom heeft het voordeel, dat hoge aardfoutstromen een snelle afschake-ling van de voedingsbron tot stand brengen. Deze relatie kan echter ongewenst zijn wanneer door een of andere oorzaak kortstondige zeer hoge stromen (stootstromen) aan het circuit worden aangeboden. De aardfoutdetectieschakeling zou dan reageren en een ongewenste afschakeling van 15 de voedingsbron zou dan plaatsvinden. Volgens de Britse octrooiaanvrage GB-A-2 268 011 wordt daaraan tegemoet gekomen door een vaste minimum vertraging toe te voegen. Hierdoor wordt echter ook de totale vertraging bij lage aardfoutstromen verhoogd.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een aardfoutdetectie-20 schakeling van de in de aanhef genoemde soort, waarbij de bovengenoemde problemen worden vermeden en een zo klein mogelijke totale vertraging wordt bereikt. Daarnaast wordt de opgenomen stroom van het detectiecir-cuit beperkt voor één van de uitvoeringsvormen.

Dit doel wordt volgens de uitvinding daardoor bereikt, dat een 25 cascadeschakeling van de integrator en een amplitudebegrenzer aanwezig is, via welke het unidirectionele signaal aan de ene ingang van de vergelijker wordt toegevoerd.

Bij de bekende aardfoutdetectieschakelingen zonder extra foutstroom-onafhankelijke vertraging zal de vertraging bij hoge aardfout-30 stromen de waarde 0 benaderen. De uitvinding heeft echter het voordeel, dat door toepassing van de amplitudebegrenzer er bij hoge aardfoutstromen steeds een minimum grensvertraging zal overblijven, terwijl daardoor de totale vertraging ook bij lage aardfoutstromen niet wordt verhoogd.

Indien een hogere minimumgrens vereist zou zijn, kan de keten van 35 de cascadeschakeling en vergelijker worden aangevuld met een daarmee in cascade geschakelde afregelketen met vaste vertraging. Bij voorkeur wordt een begrenzing bij ca. vijf maal de nominale foutstroom ίΔη toegepast. Het is gebleken dat door toepassing van de amplitudebegrenzer en de vaste 1007165 3 vertraging een extra vrijheidsgraad, namelijk de dimensionering van de begrenzingswaarde, wordt verkregen om nauwkeurig binnen een voorgeschreven maximumgrens en minimumgrens van de verhoging te blijven, zoals bij de detectieschakelingen van het S-type.

5 Opgemerkt wordt nog dat de Duitse octrooiaanvrage DE-A1-4 220 571 een aardfoutdetectieschakeling beschrijft, die voldoet aan minimale en maximale reactie tijden afhankelijk van de aardfoutstroom. Een realisatie is echter daarin niet aangegeven.

Uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn in de verdere volgconclu-10 sies omschreven.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen, waarin:

Fig. 1 een blokschema van een aardfoutdetectieschakeling volgens de uitvinding toont; 15 Fig. ?. een uitvoeringsvorm van de aardfoutdetectieschakeling volgens de uitvinding illustreert;

Fig. 3 aan andere uitvoeringsvorm van de aardfoutdetectieschakeling volgens de uitvinding weergeeft;

Fig. ^ nog een andere uitvoeringsvorm van een aardfoutdetectieschakeling 20 volgens de uitvinding illustreert;

Fig. 5 een verdere uitvoeringsvorm van een aardfoutdetectieschakeling volgens de uitvinding weergeeft;

Fig. 6 een grafiek van de aanspreektijd als functie van de foutstroom van de uitvoeringsvorm volgens figuur 2 is; en 25 Fig. 7 een voordelige uitvoeringsvorm van de in fig. 2 toegepaste stroom-begrenzer toont.

Aardfoutschakelaars moeten volgens de daarvoor geldende normen, bijvoorbeeld IEC 1008, een circuit kunnen onderbreken (trippen) binnen een bepaalde maximum tijd gegeven een nominale aardfoutstroom. De 30 aardfoutschakelaars voldoen aan een zogenaamde I-t-curve (stroom-tijd diagram) waarin de uitschakelvertraging is weergegeven als functie van de aardfoutstroom. Deze schakelaars hebben een korte vertraging bij hoge aardfoutstromen en een lange vertraging bij lage aardfoutstromen, waarbij de maximale vertraging, gegeven een minimum foutstroom, aan bepaalde 35 normen voldoet. Opgemerkt wordt nog dat de hele I-t-curve door de norm wordt gespecificeerd.

De hierboven genoemde norm IEC 1008 specificeert twee typen aardf outschakelaars: 1007165 4 1. Een schakelaar van het "general type". Hierbij is slechts een eis geformuleerd ten aanzien van de maximale toelaatbare onderbre-kingsvertraging als functie van de stroom.

2. Een aardfoutschakelaar van het "S-type". Hierbij zijn eisen 5 geformuleerd ten aanzien van zowel de maximaal als minimaal toelaatbare onderbrekingsvertraging.

Oudere aardfoutdetectieschakelingen (volgens EP 0l404l8 of NL 1727II van aanvraagster) hebben het nadeel dat deze ook de voedings-leidingen onderbreken als er een zeer kortstondige maar hoge stroom 10 (stootstroom) aan het circuit wordt aangeboden en kunnen over het algemeen niet voldoen aan de gestelde minimum en maximum vertragingstij-den voor het S-type.

De in figuur 1 als blokschema getoonde aardfoutdetectieschakeling volgens de uitvinding omvat een stroomtransformator ST, door de kern 15 waarvan de voedingsleidingen tussen een voedingsbron, bijvoorbeeld het net, en een circuit, bijvoorbeeld een huisinstallatie, verlopen. Wanneer een aardfout of aardlek optreedt, zullen de stromen door de voedingsleidingen LI en L2 in absolute waarde niet aan elkaar gelijk zijn, zodat in de secundaire wikkeling SW een stroom ij wordt opgewekt, die een waarde 20 is voor de optredende aardlekstroom. De stroom ij wordt toegevoerd aan een gelijkrichter GEL, die een unidirectioneel signaal st afgeeft, dat aan de ingang van de amplitudebegrenzer AB wordt toegevoerd. Het uitgangssignaal sa van de amplitudebegrenzer AB wordt toegevoerd aan de integrator INT, waarvan het uitgangssignaal s3 wordt toegevoerd aan de 25 ene ingang van de vergelijker COMP. Op de andere ingang van de vergelijker COMP wordt een referentiesignaal Uref toegevoerd en op de uitgang van de COMP wordt het vergelijkingsresultaat sv dat wordt gebruikt voor het besturen van een tripmechanisme voor het onderbreken van de voedingsleidingen LI en L2, wanneer de aardfoutstroom een vooraf bepaalde nominale 30 waarde overschrijdt. Het tripmechanisme en de daarbij behorende contacten zijn niet getoond, aangezien deze voor een deskundige volledig bekend zijn.

De essentie van de uitvinding is het realiseren van een minimaal toelaatbare vertraging voor hoge foutstromen door middel van het 35 begrenzen van het ingangssignaal. Hierdoor kan een aardfoutschakelaar van het "general type" worden gerealiseerd met een minimaal toelaatbare vertraging voor hoge stromen. De vertraging zal dus bij hoge stromen niet 1007165 5 de waarde O benaderen.

Door toevoeging van een extra afregelketen, een zogenaamde "tuning circuit" ontstaat de mogelijkheid om een schakelaar van het S-type te realiseren. Deze afregelketen heeft een vooraf bepaalde vaste-vertraging.

5 Weliswaar ontstaat door toepassing van de afregelketen ook een extra vertraging voor lage aardfoutstromen, echter zal door toepassing van de amplitudebegrenzing de totale vertraging lager zijn. Als uitvoeringsvorm kan de afregelketen een serieschakeling van een weerstand en condensator bevatten.

10 Voorts is een amplitudebegrenzing op ca. vijf maal de nominale foutstroom ίΔη een geschikte waarde.

De amplitudebegrenzer kan worden gevormd door een stroombegrenzer of spanningsbegrenzer. Uitvoeringsvormen hiervan zijn in de figuren 2-5 getoond.

15 Bij de aardfoutdetectieschakeling volgens figuur 2 wordt uitgegaan van een schakeling met een stroomtransformator en een gelijkrichter, welke een stroom i2 levert die evenredig is met de gelijkgerichte aardfoutstroom ij. Deze stroom wordt in de stroombegrenzer IB begrensd op een waarde die bijvoorbeeld overeenkomt met vijf maal de nominale 20 foutstroom. De begrensde stroom i3 wordt omgezet in een spanning en gefilterd of geïntegreerd door middel van een filterschakeling of integrator INT. Het uitgangssignaal van de integrator wordt toegevoerd aan het zogenaamde "tuning circuit". Opgemerkt wordt dat het "tuning circuit" optioneel is en alleen wordt gebruikt voor het S-type. Deze 25 laatstgenoemde schakeling heeft een vooraf bepaalde minimum vertraging, teneinde te voldoen aan de eisen van minimum toelaatbare vertraging. De uitgangsspanning u/, van de tuning circuit wordt toegevoerd aan de ene ingang van een vergelijker COMP, terwijl een referentiewaarde uref aan een andere ingang van de vergelijker COMP wordt toegevoerd. Wanneer de 30 spanning u^ boven de referentiewaarde uref uitstijgt, levert de vergelijker COMP een stuursignaal dat wordt toegevoerd aan een tripmechanisme TM. Door de ingangsstroom te begrenzen wordt een minimale vertraging gerealiseerd voor het gehele filter. In figuur 6 is voor een aardfoutdetectieschakeling met een nominale foutstroomgevoeligheid ΙΔη van 30mA 35 aangegeven hoe de I-t-curves verlopen met alleen stroomintegratie, met stroomintegratie en stroombegrenzing respectievelijk stroomintegratie en -begrenzing aangevuld met een tuning circuit. Alleen stroomintegratie geeft een I-t-curve die voor zeer grote stromen naar nul seconden 1007165 6 vertraging gaat. Stroombegrenzing en stroomintegratie geeft een curve die vanaf ca. vijf maal de nominale foutstroom ίΔη vlak gaat lopen ofwel een constante vertraging heeft. Stroombegrenzing plus stroomintegratie en tuning circuit geeft een curve die hoger ligt dan de vorige en dus een 5 extra vertraging geeft voor alle stromen.

De stroombegrenzer IB, de integrator INT en de tuning circuit TUN kunnen op diverse manieren worden gerealiseerd. Als voorbeeld is in figuur 2 aangegeven, dat de stroombegrenzer IB bestaat uit een pnp transistor T, waarvan de emitter - collectorbaan parallel is geschakeld 10 aan de ingangsklemmen van de stroombegrenzer IB, terwijl de basis van de transistor T enerzijds via een weerstand Rt met de emitter is verbonden en anderzijds met de ene uitgangsklem van de stroombegrenzer. De andere uitgangsklem van de stroombegrenzer IB is met de collector verbonden. Voorts is in figuur 2 aangegeven, dat de integrator INT kan worden 15 uitgevoerd als een parallel schakeling van de weerstand Rj en de condensator C^. Het tuning circuit is uitgevoerd als een serie RC-sectie van de weerstand R2 en de condensator C2. Voor de vergelijker en het tripmechanisme kunnen algemeen bekende oplossingen worden gebruikt.

In de uitvoeringsvormen van de figuren 3. 4 en 5 zijn spannings-20 begrenzers toegepast.

De aardfoutdetectieschakeling volgens figuur 3 omvat een stroom-stroomgelijkrichter GEL, op de uitgang waarvan een integrator INT is aangesloten. Daarop volgt de spanningsbegrenzer VB en het tuning circuit TUN. Opgemerkt wordt dat de volgorde van de integrator en de spannings-25 begrenzer kunnen worden omgedraaid. De integrator bestaat bij de in figuur 3 getoonde uitvoeringsvorm uit een parallelschakeling van de weerstand Rj en de condensator Clt terwijl de spanningsbegrenzer een zenerdiode Z bevat. In figuur 3 wordt de secundaire stroom ilf die evenredig is aan de primaire foutstroom, gelijkgericht en door middel van 30 de weerstand Rj omgezet in een spanning. Het tuning circuit TUN, de vergelijker COMP en het tripmechanisme TM komen overeen met die van figuur 2. De spanning over de condensator Cx van de stroomintegrator INT wordt door de zenerdiode Z van de spanningsbegrenzer VB begrensd. Door deze spanning te begrenzen wordt een minimum vertraging gerealiseerd in 35 het "tuning circuit" gevormd door de weerstand R2 en de condensator C2. Bij figuur 3 is het tuning circuit dan ook altijd aanwezig. De ligging van de I-t-curve voor deze schakeling verschilt slechts marginaal van die van de schakeling volgens figuur 2.

1007165 7

Een verdere variant van de uitvinding is in figuur 4 getoond. Deze omvat een stroom-stroomgelijkrichter, waarbij een conversie van stroom naar spanning en een spanningsbegrenzing wordt toegepast. De stroom uit de gelijkrichter wordt omgezet in een spanning die door dé spannings-5 begrenzer Z wordt begrensd. Bij de in figuur k getoonde variant bestaat de stroom-spanningsomzetter en spanningsbegrenzer IVO + VB uit een parallel schakeling van de weerstand Rz en de zenerdiode Z. In figuur 4 wordt de secundaire stroom ilt die evenredig is aan de primaire fout-stroom, gelijkgericht en door middel van de weerstand Rz omgezet in 10 spanning. De begrensde spanning wordt gefilterd met een RC-filter, bestaande uit de serieschakeling van de weerstand R: en de condensator Het RC-filter zorgt voor de integratie van de gedetecteerde spanning. Ook hier wordt door middel van een optionele, ten behoeve van het S-type toe te passen tuning circuit bestaande uit de weerstand R2 en de condensator 15 C2 een extra minimum vertraging gebruikt.

In figuur 5 is nog een andere variant van de uitvinding getoond, waarbij als detectiestroomorazetter een gelijkrichter van aardfoutstroom naar detectiespanning wordt gebruikt, dat wil zeggen een spannings-versterker. Hierbij wordt uitgegaan van een gelijkrichter die een 20 gelijkgerichte spanning levert die evenredig is met de gelijk te richten aardfoutstroom. De spanning wordt begrensd door spanningsbegrenzer VB, die in de in figuur 5 getoonde uitvoeringsvorm bestaat uit een serieschakeling van een weerstand Rz en een zenerdiode Z. De spanning over de zenerdiode wordt toegevoerd aan de integrator INT bestaande uit de 25 serieschakeling van de weerstand R1 en de condensator Cj. Het resterende gedeelte komt overeen met dat vein figuur Eventueel kunnen integrator en spanningsbegrenzer worden verwisseld. In de hierboven beschreven varianten ligt de verhouding van de RC-tijd van de integrator Rj Cj gedeeld door de RC-tijd van de tuner R2 C2 in het bereik van 3.0 tot 10,0. 30 Opgemerkt wordt nog dat bij de spanningsbegrensde varianten de integratiefunctie en de spanningsbegrenzingsfunctie kunnen worden omgewisseld.

De in figuur 7 getoonde voordelige uitvoeringsvorm van de stroombegren-zer van figuur 2 bestaat uit een serieschakeling van een zenerdiode Z en een weerstand R^ die over de ingang van de stroombegrenzer is aangeslo-35 ten. De stroombegrenzer omvat voorts een transistor T waarvan de basis met het verbindingspunt tussen de zenerdiode Z en de weerstand R*, is verbonden, terwijl de emitter daarvan via een weerstand R3 op de ingangsklem van de stroombegrenzer is aangesloten, waarmee ook de 1007165 8 zenerdiode is verbonden. De uitgangsstroom iuit van de stroombegrenzer kan van de collector van de transistor T worden afgenomen.

Wordt er van uitgegaan dat de zenerspanning van de zenerdiode gelijk is aan V! dan zal de maximale uitgangsstroom iuit gelijk zijn aan 5 Vx - UBE

_ , waarin UBE de spanning over de basis-emitterovergang is.

R3

Wanneer bij groter wordende ingangsstroom iin de uitgangsstroom iuit de voorafbepaalde maximale waarde heeft bereikt, zal bij nog grotere ingangs-10 stroom de ingangsspanning Uin dippen tegen de voedingsspanning. De uitgangsstroom wordt als het ware geblokkeerd op een vaste maximale waarde en de ingangsstroom wordt niet afgevoerd naar aarde zodat deze stroombegrenzer zuiniger is dan de in figuur 2 getoonde uitvoeringsvorm.

Tenslotte wordt nog opgemerkt dat de schakeling volgens de uitvinding 15 zowel voor spanningsafhankelijke als spanningsonafhankelijke aardfout-schakelaars toepasbaar is.

1 007 1 65

Claims (12)

1. Aardfoutdetectieschakeling voor het detecteren van een aardfout in een door een voedingsbron via voedingsleidingen gevoed circuit, omvattende een in de voedingsleidingen op te nemen stroomtrans- 5 formator, op de uitgang waarvan een stroom wordt afgegeven, die een maat is voor een in het gevoede circuit en/of de voedingsleidingen optredende aardfoutstroom, een op de uitgang van de stroomtransformator aangesloten gelijkrichter voor het verkrijgen van een unidirectioneel signaal, welk signaal via een integrator wordt toegevoerd aan een ingang van een 10 vergelijker, aan een andere ingang waarvan een referentiesignaal wordt aangelegd en op de uitgang waarvan een detectiesignaal optreedt wanneer het aan de ingang aanwezige signaal groter is dan het referentiesignaal, met het kenmerk, dat een cascadeschakeling van de integrator en een amplitudebegrenzer aanwezig is, via welke het unidirectionele signaal aan 15 de ene ingang van de vergelijker wordt toegevoerd.

2. Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 1, waarbij de keten van de cascadeschakeling en de vergelijken is aangevuld met een afregelketen met een vooraf bepaalde vaste vertraging.

3. Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 2, waarbij de 20 afregelketen een serieschakeling van een weerstand en condensator omvat.

9. Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 1, 2 of 3. waarbij de begrenzing op ca. 5 maal de nominale foutstroom lAn plaats vindt.

5. Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 2, 3 of 4, 25 waarbij de verhouding van de RC-tijd van de integrator gedeeld door de RC-tijd van de afregelketen in het gebied van 3 tot 10 ligt.

6. Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 1, 2, 3. 4 of 5, waarbij de gelijkrichter en de amplitudebegrenzer worden gevormd door een stroom-stroomgelijkrichter respectievelijk stroombegrenzer. 30 7· Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 6, waarbij de stroombegrenzer een pnp transistor omvat, waarvan de emitter op de ene ingangsklem en de collector op de andere ingangsklem van de stroombegrenzer zijn aangesloten en waarvan de basis via een weerstand met de emitter is verbonden en waarbij de ene uitgangsklem van de stroombegrenzer met 35 de basis en de andere uitgangsklem daarvan met de collector zijn gekoppeld.

8. Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 6, waarbij de stroombegrenzer een over de ingangsklemmen aangesloten serieschakeling 7 0 07 1ργ van een zenerdiode en een eerste weerstandomvat, alsmede een pnp transistor, waarbij de emitter van de pnp transistor via een tweede weerstand op de met de zenerdiode verbonden ingangsklem is aangesloten, de basis daarvan met het verbindingspunt van de zenerdiode én de eerste 5 weerstand, die de serieschakeling vormen, is verbonden en waarbij de collector daarvan met een uitgangsklem van de stroombegrenzer is gekoppeld.

9- Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 1, 2, 3. ^ of 5, waarbij de amplitudebegrenzer een spanningsbegrenzer is.

10. Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 9. waarbij de gelijkrichter een stroom-stroomgelijkrichter is en waarbij de spanningsbegrenzer een zenerdiode en de integrator een parallelschakeling van een weerstand en condensator omvatten.

11. Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 9. waarbij de 15 geli jkrichter een stroom-stroomgeli jkrichter is, de cascadeschakeling van spanningsbegrenzer en integrator is aangevuld met een stroom-spanningsom-zetter en waarbij de integrator een over de ingang daarvan parallel geschakelde serieschakeling van een weerstand en condensator bevat en de uitgang daarvan over de condensator is geschakeld.

12. Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de stroom-spanningomzetter en spanningsbegrenzer worden gevormd door een parallelschakeling van een weerstand en ee n zenerdiode.

13· Aardfoutdetectieschakeling volgens conclusie 9. waarbij de 25 gelijkrichter een stroom-spanninggelijkrichter is, waarbij de spanningsbegrenzer een over de ingang daarvan parallel geschakelde serieschakeling van een weerstand en een zenerdiode bevat en de uitgang daarvan over de zenerdiode is geschakeld en waarbij de integrator een over de ingang daarvan parallel geschakelde serieschakeling van een weerstand en 30 condensator is en de uitgang daarvan over de condensator is geschakeld. 1007165