SE448795B - Jordfelsbrytare - Google Patents

Description

448 795 2 jordledningen och om denna spänning blir tillräckligt stor kan en farlig situation uppstå. Också i det fall ingångsanslut- ningarna till jordfelsbrytaren förväxlas så att den strömförande ingångsledningen ansluts till den neutrala ledningen kan det inträffa att jordfelsbrytaren inte träder i funktion eller att andra risker uppstår.

Det är således önskvärt att åstadkomma en jordfelsbrytare som kan aktiveras under många olika betingelser, t.ex. en bruten neutral ledare eller en bruten jordledare eller när ingångs- anslutningarna är omkastade för att på så sätt skydda mot skada som kan uppstå till följd av just sådana betingelser eller andra betingelser. Vidare skall jordfelsbrytaren erbjuda ett grundläggande skydd mot jordfel- Föreliggande uppfinning syftar till att åstadkomma en jordfelsbrytare som strömmatas för att bryta den strömförande ledningen i det fall att antingen den neutrala ledningen eller jordledningen bryts, eller i det fall att det mellan den neutrala ledningen och jordledningen uppstår en potential- som överstiger en på förhand bestämd spänning, eller i det fall att ingångsanslutningarna till jordfelsbrytaren omkastas.

Dessa tillkommande särdrag hos jordfelsbrytaren erhålls genom att en konventionell jordfelsbrytare förses med ett fåtal ytterligare komponenter, vilket gör att den nya jordfels- brytaren i minsta möjliga grad kompliceras resp fördyras För att uppnå de ovan nämnda syftemålen anordnas en tillkommande sekundärlindning på differentialtransformatorn.

Denna tillkommande sekundärlíndning ges ett sådant antal varv, att när strömmen i den tillkommande sekundärlindningen överstiger ett förutbestämt värde avger sekundärlindningen en utlösningssignal för strömmatning av kretsöppningsorganet. Den tillkommande sekundärlindningen kopplas mellan den neutrala ledningen och jordledningen. Ett tillkommande motstånd kopplas i serie med den tillkommande sekundärlindningen för att medhjälpa till att bilda en förutbestämd spänning vilken potientialen mellan den neutrala ledningen och jordledníngen "95 448 795 3 måste överstiga innan en ström av den förutbestämda styrkan kommer att flyta i den tillkommande sekundärlindningen.

Dessutom tjänar det tillkommande motståndet till att begränsa otillåtet stort strömflöde genom den tillkommande sekundär- lindningen och medverkar på så sätt till att skydda denna lindning mot skada. I en av de föredragna utföringsformerna av uppfinningen kopplas ett par Zenerdioder i anod-anod-koppling i serie med den tillkommande sekundärlindningen och det tillkommande motståndet för att på så sätt utesluta strömflöde genom den tillkommande sekundärlindningen såvida inte potentialen mellan den neutrala ledningen och jordledningen överstiger ett noggrant fastlagt, förutbestämt spänningsvärde.

En nätförbindelse görs från nätledningen (ofta enbart kallat "nätet". varvid ledningen kallas "den spänningsförande ledningen") till jordledningen. Ett effektbegränsningsmotstånd anordnas i nätförbindelsen. Om således jordledningen bryts mellan elkraftkällan och jordfelsbrytaren kommer ström att alstras i den tillkommande sekundärlindningen och gå från den strömförande ledningen till jordledningen och genom den tillkommande sekundärlindningen till den neutrala ledningen.

Detta medför att kretsöppningsorganet strömmatas och att den strömförande ledningen bryts- I en föredragen utföringsform av uppfinningen görs en andra nätförbindelse från den strömförande ledningen till den neutrala ledningen genom ett andra effektbegränsningsmotstånd.

Med denna åtgärd ernås att i det fall den neutrala ledningen bryts mellan elkraftkällan och jordfelsbrytaren kommer en strömbana att bildas från den strömförande ledningen till den och genom den tillkommande också detta medför att nuetrala ledningen sekundärlindningen till jord. kretsöppnignsorganet aktiveras.

Kretsöppningsorganet är vanligen en elektromagnetmanövrerad omkopplare i nätledningen, varvid elektromagneten är kopplad i serie med en tyristor. Den ena änden av denna seriekrets är ansluten till den strömförande ledningen och den andra änden 448 795 .4 måste gå i en returbana antingen genom den neutrala ledningen eller genom jordledningen. Eftersom strömmatningen måste kunna erhållas i det fall att den neutrala ledningen eller jordledningen är bruten är det nödvändigt att ordna med en koppling som dirigerar (ställer) strömflödet genom tyristorn till den ledning som inte har avbrott. Detta åstadkoms med ett par anod-anod~kopplade dioder som är kopplade mellan den neutrala ledningen och jordledningen, varvid katoden på tyristorn är ansluten till den gemensamam punkten, mittpunkten, för dioderna i anod-anod-kopplingen.

Enligt en andra utföringsform av föreliggande uppfinning är aktiveringen av kretsöppningsorganet såsom gensvar på en bruten neutrala ledningen inte beroende på strömflödet genom den tillkommande sekundärlindningen utan är beroende på spänningsfallet över denna lindning och det tillkommande motståndet. Den negativa sidan av effektaggregatet för en förstärkare som överför sekundärlindningens utgångssignal till styret på tyristorn ansluts till den neutrala ledningen- I det fall den neutrala ledningen bryts kommer ett eventuellt strömflöde att behöva gå genom den tillkommande sekundärlind- ningen till jordledningen. Detta medför att potentialen på den nuetrala ledningen ökar med avseende på jord och tyristorn kommer att triggas av förstärkaren.

Med den beskrivna kretskopplingen kommer jordfelsbrytaren att matas med ström både då den neutrala ledningen är bruten och då jordledningen är bruten och även då ett jordfel inträffar på jordfelsbrytarens belastningssida. Vidare kommer jordfels- brytaren att bryta nätledningen i det fall att potentialen mellan den neutrala ledningen och jordledningen överstiger en på förhand bestämd spänning. Även om ingångsledningarna till jordfelsbrytaren kastas om kommer jordfelsbrytaren att bryta nätledningen i det fall den nämnda potentialen överskrider den nämnda förutbestämda spänningen.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till de bifogade ritningarna, i vilka .h .448 795 5 fig. 1 visar ett förenklat kopplingsschema över en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning, fig. 2 visar ett mer detaljerat kopplingsschema av den i fig. 1 visade föredragna utföringsformen, fig. 3 visar ett förenklat kopplingsschema för en andra utföringsform av föreliggande uppfinning, och fig. 4 visar ett mer detaljerat kopplingsschema av den i fig. 3 visade utföringsformen av uppfinningen.

Fig. l visar ett förenklat kopplingsschema över jordfels- brytaren enligt föreliggande uppfinning. Elkraft från en elkraftkälla går till en belastning genom en spänningsförande ledning ll. Returbanan för elkraften går genom en neutral ledning 13 medan en jordledning 15 erbjuder en bana mot jord.

Den strömförande ledningens ll anslutning till den ej visade elkraftkällan görs via ett uttag 17 och den strömförande ledningen 11 är ansluten till belastningen vid ett uttag 19.

På likartat sätt är den neutrala ledningen 13 ansluten till elkraftkällan vid ett uttag 21 medan den är ansluten till belastningen vid ett uttag 23. Ett uttag 25 erbjuder jordning vid elkraftkällan av jordfelsbrytarens jordledning 15. Ett uttag 27 erbjuder anslutning av belastningen till jordlednigen 15 på belastningssidan av jordfelsbrytaren. Jordfelsbrytaren uppvisar en differentialtransformator 29 med en transformator- kärna 31. Ett avsnitt 33 av den strömförande ledningen 11 och ett avsnitt 35 av den neutrala ledningen 13 bildar enkelvarvi- ga motriktade primärlindningar till differentialtransformatorn 29. Under normala driftsbetingelser kommer strömmen i ledningen ll och den i den neutrala ledningen 13 att vara lika stora, vilket innebär att de magnetflöden som alstras av primärlindningarna 33 och 35 tar ut varandra Om emellertid ett jordfel inträffar på belastningssidan av jordfelsbrytaren kommer strömmen i den neutrala ledningen 13 att bli mindre än den i ledningen ll. När detta inträffar konuner de av primär- V. ...h- ...-_........ ..,.... . . .. . . _ ... V.. ..... _, . . 448 795 6 lindningarna 33 och 35 inducerade magnetflödena inte att ta ut varandra och ett resulterande magnetflöde uppstår.

Detta magnetflöde kommer att inducera en ström i en sekundär- lindning 37 på transformatorkärnan 31. Den inducerade strömmen överförs till en spänning över ett belastningsmotstånd 39.

Denna spänning inmatas på ingången av en förstärkare 41.

Dioder 43, 45, 47 och 49 bildar en helvågslikriktare. Ett strömbegränsningsmotstånd 51 erbjuder en effektinmatningsbana till förstärkaren 41 från bryggans ena uttag. Den andra sidan på förstärkarens 41 effektaggregat är kopplad till den neutrala ledningen 13 via en diod 49 och till jord via en diod 53. Dioderna 49 och 53 är således i anod-anod-koppling.

Ett kretsöppningsorgan bildas av en tyristor 55 och en elektromagnet 57. Strömbegränsningsorganet är kopplat i serie från den strömförande ledningen ll till mittpunkten av de anod-anod-kopplade dioderna 49 och 53. Elektromagneten 57 styr en strömställare som ligger i den spänningsförande ledningen ll och vanligen även en motsvarande strömställare i den neutrala ledningen 13. Anoden på tyristorn 55 är kopplad till elektromagnten 57 medan katoden 63 på tyristorn 55 är kopplad till mittpunkten mellan de anod-anod-kopplade dioderna 49 och 53. Tyristorns 55 styre 65 är kopplat till utgången av förstärkaren 41.

När en utlösningssignal alstras av sekundärlindnignen 37 styrs transisbtorn 55 till sitt ledande tillstånd varigenom strömmen går genom elektromagneten 57 och den normalt slutna strömställaren 59 öppnar. Ehuru det ej visas i ritningen finns en likartad strömställare i den neutrala ledningen 13 och denna ej visade strömställare öppnas också.

Betingelser med en potentiellt bruten strömförande ledning mellan elkraftkällan och jordfelsbrytaren visas schematiskt vid strömställare 67 och 69. Jordledningens förbindelse till jord och den neutrala ledningens förbindelse till jord vid 7 elkraftkällan visas även schematiskt.

För att skydda mot brytning av den neutrala ledningen, t.ex. vid 67, eller i jordledningen, t.ex. vid 69, anordnas en tillkommande sekundärlindning 71 på differntialtransformatorns 29 kärna 31. Den tillkommande sekundärlindningen 71 ges ett sådant antal varv, att när en ström, som överskrider ett förutbestämt strömvärde, går genom ledningen 71 alstras i transformatorkärnan 31 ett magnetflöde som inducerar en ström i sekundärlindningen 37. Denna ström åstadkommer i sin tur en utlösningssignal över motståndet 39 så att tyristorn 55 bringas till sitt ledande tillstånd. Med andra ord kommer en ström som överskrider det förutbestämda strömvärdet genom lindningen 71 att medföra att den strömförande ledningen ll öppnas.

Lindningen 71 är kopplad mellan den neutrala ledningen 13 och jordledningen l5i.serie med ett motstånd 73.Motståndet 73, vilket benämns vara ett tillkommande motstånd för att antyda att det hör till den tillkommande sekundärlindningen 71, medverkar till att fastställa storleken av den spänning mellan den neutrala ledningen 13 och jordledningen 15 vilken medför att en ström som har den på förhand bestämda strömstyrkan kommer att flyta genom den tillkommande sekundärlindningen 71.

Ett par Zener~dioder 75 och 77 i anod-anod-koppling fastställer noggrant storleken av den spänning mellan den neutrala ledningen 13 och jordledningen 15 vilken måste överskridas för att framkalla strömflöde genom den tillkommande sekundärlind-ningen 71. Det bör noteras, att motståndet 73 även har en skyddsfunktion eftersom det begränsar strömflödet genom lindningen 71 i den händelse stora spänningar förekommer mellan den neutrala ledningen 13 och jordledningen 15.

En ledning 79 åstadkommer nätförbindelse från den strömförande ledningen ll till den neutrala ledningen 13. Ett motstånd 81 (vilket benämnts nätmostånd för att därmed antyda att det har samband med nätanslutningen) tjänar till att begränsa 8 _ strömflödet från den strömförande ledningen till den neutrala.

En likartad nätförbindelse 83 finns från den strömförande ledningen ll till jordledningen 15 och i denna förbindelse sitt också ett motsvarande nätmotstånd 85.

Om den neutrala ledningen 13 och jordledningen 15 är inkopplade korrekt (dvs. de schematiskt visade strömställarna 67 och 69 är slutna) kortsluts den tillkommande sekundär- lindningen 71 av kretsen och ingen nämnvärd ström går genom denna lindning. Om å andra sidan den neutrala ledningen skulle vara bruten (vilket skulle representeras av att den schematiskt visade strömställaren 67 vore öppnad) kommer kretsen med den tillkommande sekundärlindningen 71 att erbjuda den enda förekommande strömbanan för strömmen i ledningen 79.

Således skulle det genom den tillkommande sekundärlindningen 71 gå en ström, vilken skulle alstra en utlösningssignal som inititerar öppningen av strömställaren 59 i den spännings- förande ledningen. Om å andra sidan jordledningen 15 vore bruten (dvs. om den schematiskt visade strömställaren 69 vore öppen) skulle på motsvarande sätt strömmen genom ledaren 83 gå till den neutrala ledningen 13 genom den tillkommande sekundärlindningen 71 och alstra en utlösningssignal, vilken skulle initiera öppning av strömställaren 59 i den spännings- förande ledningen. På detta sätt erhålls således skydd mot en bruten neutral ledning eller en bruten jordledning.

I själva verket erbjuder kretsen även skydd mot alla de fall när potentialen mellan den neutrala ledningen och jord- ledningen överskrider en förutbestämd spänning (dvs. den spänning som framkallar ett strömflöde genom sekundär- lindningen 71 utöver den på förhand bestämda strömstyrkanL Det är tydligt att om ingångsanslutningarna för den ström- förande ledningen och den neutrala ledningen är omkastade kommer den nätspänning som uppträder på den neutrala ledningen 13 att framkalla ett strömflöde till jord genom den till- kommande sekundärledningen 7l, vilket strömflöde skulle utlösa jordfelsbrytaren. Det är således tydligt att jordfelsbrytaren skyddar mot andra betingelser annat än just än öppen neutral f! 0,) 448 795 9 ledningen eller en öppen jordledning.

Ett detaljerat kopplingsschema för kretsen i fig. l visas i fig. 2. Kretsen i fig- 2 är i princip likartad den i fig. 1 med undantag för att vissa komponenter införts för att tillhandahålla förstärkningsinställning, brusreducering och transientundertryckning.

Det är tydligt att den utlösningssignal som alstras över motståndet 39 och som matas till ingången på förstärkaren 41 erhålls med dioder 87 och 89, vilka skyddar mot överspänningar, och med en brusundertryckande kondensator 91.

Förstärkaren 41 är en kundanpassad operationsförstärkare i form av en IC~krets med en Zener-regulator. Tillkommande brus- undertryckningskondensatorer 93, 95 och 97 finns för förstärkaren 41. Ett fast motstånd 99 och ett variabelt motstånd 101 bildar en återkopplingsbana för operationsför- stärkaren>4l.

Konstant-strömmatning till förstärkaren 41 erhålls med en emitterföljarkrets, som innefattar en transistor 109, motstånd lll och 113 samt en Zener-diod 115. otillåtet hög effektförlust när ingångsspänningen varierar Denna krets hindrar över ett förhållandevis brett område.

En normalt öppen provningsomkopplare 103 är kopplad i serie med ett strömbegränsningsmotstånd 105 mellan den strömförande ledningen ll och den neutrala ledningen 13. Ett tillkommande överspänningsskydd för kretsen erhålls med en metalloxid- varistor 107 som är kopplad mellan den strömförande ledningen ll och den neutrala ledningen 13. En annan Zener-diod 117 har kopplats i serie med dioden 53 mellan katoden på tyristorn 55 och jordledningen 15 för att förhindra strömflöde till jord vid frånvaro av en mellan katoden och jord bildad spänning.

En annan utföringsform av uppfinningen visas i förenklad form i fig. 3. De grundkomponenter i jordfelsbrytaren i fig 4 vilka motsvarar samma komponenter i kretsen enligt fig. 1 '_ ._,..f-~ .ma-N- 1,... ..., ...., .V . ...__ . .. . ......... . 448 795 10 anges med samma hänvisningsbeteckningar medan nytillkomna komponenter har hänvisningsbeteckningar med tillagt '-tecken.

Det är således tydligt att det enda nya elementet är dioden 119 mellan förstärkaren 41 och den neutrala ledningen 13.

M5 I det fall jordledningen är bruten kommer den i fig. 4 visade kretsen att fungera på samma sätt som beskrivits ovan i samband med fig. l och 2. Om emellertid den neutrala ledningen är bruten kommer en tillkommande sekundärlindning 71' och ett tillkommande motstånd 73' att bilda en spänningsskillnad mellan den neutrala ledningen 13 och jordledningen 15.

Eftersom den neutrala ledningen 13 är den negativa ledningen till förstärkarens 4l kraftaggregat, åstadkoms medelst dioden 119 kommer en potentialökning på ledningen 13 att åstadkomma en utlösningssignal som triggar tyristorn 55.

En mer detaljerad version av den i fig. 3 visade utförings- formen visas i fig 4. Bortsett från att grundkomponenterna visas mer detaljerat kan noteras att det förekommer ett förstärkningsstyrningsmotstånd 121, vilket motsvarar mot- ståndet 101 i fig. 2. Detta förstärkningsstyrningsmotstånd ställer in den nivå vid vilken kretsöppningen med elektro- magneten 57 utlöser. Vidare visas en brusundertrycknings- kondensator 123 svarande mot den i fig. 2 visade kondensatorn 95.

De visade utföringsformerna kan på många sätt modifieras och varieras inom ramen för uppfinningens grundtanke. *f-l, fr

Claims (8)

ll PATENTKRAV

1. Jordfelsbrytare avsedd att användas i ett system som har en spänningsförande ledning (ll), en neutral ledning (13) och en jordledning (15), vilka samtliga går från en elkraftkälla en belastning, innefattande: - en differentialtransformator (31) med ett par motriktade primärlindningar (31, 35) samt en sekundärlindning (37), - ett kretsöppningsorgan (55, 57, 59) som är känsligt för en utlösningssignal, vilken alstras i sekundärlindningen när ett jordfel inträffar, för att bryta den spänningsförande ledningen (ll), k ä n n e t e c k n a d av - ett aktiveringsorgan (71) som är känsligt för att den neutrala ledningen eller jordledningen mellan elkraftkällan och jordfelsbrytaren är bruten, för strömmatning av kretsöpp- ningsorganet så att detta bryter den spänningsförande ledningen, och - ställorgan (49, 53) som sluter en strömmatningskrets för kretsöppningsorganet till den av ledningarna, den neutrala ledningen eller jordledningen, som inte är bruten, utan att bilda en strömbana mellan den neutrala ledningen och jordledningen.

2. Jordfelsbrytare enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att aktiveringsorganet (71) innefattar en tillkommande sekundärlindning på differentialtransformatorn (31), varigenom strömflöde, som överstiger en förutbestämd nivå, i den tillkommande sekundärlindningen framkallar en utlösningssignal i sekundärlindningen.

3. Jordfelsbrytare enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att den tillkommande sekundärlindningen är kopplad från den neutrala ledningen (13) till jordledning (15) och att ett tillkommande motstånd (73) är kopplat i serie med den tillkommande sekundärlindníngen (71) för att begränsa storleken av strömflödet genom denna.

4. -lordfelsbrytare enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av 448 795 '12 att den innefattar ett par anod-anod-kopplade Zener-dioder (75, 77) kopplade i serie med den tillkommande sekundärlindningen för att fastställa en förutbestämd spänning som måste överskridas innan ström börjar att flyta i den tillkommande sekundärlindningen (7lL

5. Jordfelsbrytare enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar en nätförbindelse (83) från den strömförande ledningen (ll) till jordledningen för att bilda en elkraftkälla för den tillkommande sekundärlindningen när jordledningen är bruten, samt ett nätmotstånd (85) för begränsning av storleken av strömflödet genom nätförbindelsen (83).

6. Jordfelsbrytare enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av en andra nätförbindelse (79) från den strömförande ledningen (ll) till den neutrala ledningen (l3) för att bilda en elkraftkälla för den tillkommande sekundärlindningen (71) när den neutrala ledningen är bruten, samt ett andra nätmotstånd (81) för begränsning av storleken av strömflödet genom den andra nätförbindelsen.

7. Jordfelsbrytare enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att kretsöppningsorganet (55, 57, 59) innefattar en elektromagnet (57) för manövrering av en strömställare (59) i den strömförande ledningen (ll) samt en tyristor (55) kopplad i serie med elektromagneten mellan den strömförande ledningen och ställorganet (49, 53), varvid en bruten neutral ledning (13) framkallar en utlösningssignal på tyristorns styre till följd av att ett spänningsfall utveckas över den tillkommande sekundärlindningen och det tillkommande motståndet (73).

8. Jordfelsbrytare enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att ställorganet (49, 53) innefattar anod-anod-kopplade dioder (49, 53) som är kopplade mellan den neutrala ledningen och jordledningen, varvid nämnda kretsöppningsorgan är inkopplat mellan dioderna i anod-anod-koppling. XI