DE1061422B

DE1061422B - Fehlerstrom-Schutzschalter

Info

Publication number: DE1061422B
Application number: DEB49610A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Becker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1958-07-14
Filing date: 1958-07-14
Publication date: 1959-07-16

Description

DEUTSCHES

kl. 21 c 68/70

INTERNAT KL. H02d

PATENTAMT

B 49610 VIIIb/21 c

anme idetag: 14. ju li 1958

bekanntmachung . der Anmeldung und ausgabe dek

aüslegeschrift: 16. juli 195 9 .

Neben zuverlässigen, den Verhältnissen am Einbauort angemessenen Schaltgeräten sowie genügend leistungsfähigen Summenwandlern sind es in erster Linie die Auslöser oder Relais, die über den Wert der Fehlerstromschutzschaltung entscheiden. Die . Eigenart der Summenwandler, daß ihre Primärwicklung den Nennstrom der Geräte führen muß, während für die Durchflutung des Kernes nur die geometrische Summe, dem Betrag nach etwa 1% oder weniger des Nennstromes zur Verfügung steht, ergibt eine sehr geringe Leistung, die zur Betätigung des Auslösers oder des Relais ausreichen muß. Der Vergrößerung des Wandlerkernes sind sehr enge Grenzen gesetzt, weil für diese Kerne nur sehr wenige Legierungen mit hohem Nickelgehalt, die zur sogenannten Permalloy-Gruppe gehören, verwendbar sind, deren Preis keine allzu großen Kernquerschnitte zuläßt. Bevorzugt werden in der Praxis AVandler verwendet, die einen Jochdurchgang pro Phasenleiter haben und deren Leistungsabgabe etwa 2 bis 3 mVA (bei 50 Hz) be^ trägt. Es ist naheliegend und wurde vorgeschlagen, Verstärker vorzusehen, um bei der kleinen Steuerleistung die Schalter sicher zu betätigen. Alle Verstärker erfordern die stete Bereitschaft einer unabhängigen Stromquelle, wenn sie nicht beim Ausbleiben der Spannung in einem Phasenleiter ausfallen sollen. Außerdem ergibt sich eine erhebliche Versteuerung und vermehrte Störanfälligkeit, während der praktische Betrieb eine gewisse Robustheit und absolute Erschütterungsfestigkeit verlangt.

Es hat auch nicht an Vorschlägen gefehlt, um doch zu einer direkten unmittelbaren Auslösung zu kommen. Die meisten dieser Vorschläge übersehen die oben angegebene, sehr geringe Steuerleistung, die nur zur Verfügung steht und die man nicht vergrößern kann, sowie die Forderung (s. VDE 0100/11.58, § 13 N u. f.), daß innerhalb 0,1 Sekunde vom Auftreten des Fehlerstromes an die Kontakttrennung erfolgt sein muß; rechnet man die Eigenzeit des Schalters mit 0,04... 0,05 Sekunden, so stehen für die Leistungsentnahme nur weitere etwa fünf Halbwellen zur Verfügung. Rechnet man also mit 2,5 mV A, einem cos φ von 0,7 und einer Zeit von 0,05 Sekundär, dann ergibt sich in mechanischem Maß eine Arbeit von 87,5 · 16^-6 Ws, entsprechend 10,21 ■ 87,5 · 10~³ gem = 0,91 gem. Dabei ist mit einem Wirkungsgrad von 100% gerechnet, also unvermeidliche Verluste nicht berücksichtigt. Bei dieser Sachlage ist auch der folgende frühere Vorschlag nicht realisierbar. Eine einseitig eingespannte, schwingungsfähige Metallzuhge sollte vom Fehlerstrom erregt werden, und dadurch, daß ihre Eigenfrequenz gleich der Netzfrequenz sein sollte, zu kräftigen Resonanzschwingungen angeregt werden.

Die Metallzunge sollte bei ihren Ausschlägen über Fehlerstrom-Schutzschalter

Anmelder:
Wilhelm Becker,
Frankfurt/M,, Wöllstädter Str. 26

Wilhelm Becker_i Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt worden'

ein Hebelsystem die Schalterverklinkung lösen. Dabei Wird übersehen, daß die federnde Zunge ihre Eigenfrequenz sofort ändert, sobald sie anschlägt, daß sie aber auch in der Nähe ihrer Umkehrpunkte gar keine Energie abgeben kann, weil dort die kinetische Energie ihr Minimum hat. Berücksichtigt man die oben angegebenen Werte für die Steüerenergie, so erkennt man, daß man mit einem Gerät nach diesem Vorschlag nur bei Fehlerströmen arbeiten könnte, bei denen ein Sümmenstrom-Fehlerschutz. nicht erforderlieh ist, weil in solchen Fällen Schutzmaßnahmen zur Verfügung stehen, die ohne zusätzlichen Aufwand durch den ohnedies vorhandenen Überstromschutz mit erfaßt werden. Auch eine praktisch sehr wichtige Eigenschaft des vorgeschlagenen Auslösers muß erwähnt werden: er ist nicht erschütterungsfest, jeder Stoß in der Schwingungsebene führt zü einer Fehlauslösung des Schalters, die seinen Einsatz ausschließt.

Während die vorbeschriebene bekannte Methode als Meßprinzip einen Zungenfrequenzmesser zugrunde legt, wird nach dieser Erfindung für den Auslöser oder das Relais als Meßorgän die Drehspule eines Vibrationsgalvanometers zugrunde gelegt, die im Felde eines Dauermagneten schwingungsfähig gelagert ist und deren Drehschwingungen die gleiche Eigenfrequenz wie das Netz haben bzw. so eingestellt werden können. Auf die als Halbwelle ausgebildete Drehachse der Drehspule oder bei Spannbändlagerung einer der Spanndrähte oder -bänder stützt sich der gefederte Hebel der Auslösewelle ab; sobald der Ausschlag der Drehspule beim Auftreten eines Fehlerstromes einen gewissen Wert überschreitet, rutscht der Hebel der Auslösewelle ab und bewirkt die Schalterauslösung. Man erkennt die Vorteile der neuen Anordnung:

1. Der Eigenverbrauch des Drehspulsystems ist sehr gering bzw. es reagiert sehr empfindlich auf kleinste Ströme, da sich die Spule in einem permanenten Magnetfeld befindet;

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2. das messende System ist symmetrisch zur Drehachse und daher unempfindlich gegen Erschütterungen;

3. bei dieser Erfindung wird die Resonanz nicht durch Anschlagen in der Nähe der Endlagen gestört, sondern die durch die Reibung des aufliegenden Hebels der Auslösewelle bewirkte Dämpfung ist viel geringer als die zugeführte Energie,

so daß die Amplituden bei jeder Halbwelle größer werden, bis Auslösung erfolgt. In der Zeichnung (Fig. 1 bis 10) ist der Auslöser oder das Relais durch Fig. 5, 6, 7 und 8 beispielsweise dargestellt und wird nun näher erläutert: Ein zylindrischer Kernmagnet 21 befindet sich im Innern eines weichmagnetischen Vierkantkörpers 22 und wird durch passende Formstücke 23 zentriert. In dem Luftspalt zwischen dem Kernmagneten 21 und der zylindrischen Bohrung des Körpers 22 bildet sich ein praktisch homogenes Magnetfeld aus, in dem sich die Drehspule

24 um ihre Achse drehen kann. Diese Drehspule ist als Schablonenspule gewickelt, zwei eingelegte Formteile

25 dienen zur Versteifung, die noch durch Imprägnierung mit Gießharz verbessert werden kann. Durch diese Spulenkonstruktion ergibt sich ein geringes Trägheitsmoment, es kann ferner zweckmäßig sein, Aluminiumwicklung vorzusehen. Die Drehspule 24 ist aufgehängt an zwei doppelten, haarnadelförmig gebogenen Spanndrähten oder Spannbändern 26, die um einen Wulst des keramischen Trägers 27 geschlungen und an je einem Gewindebolzen28 befestigt sind; durch die Druckfeder 29 wird der Spanndraht 26 axial gespannt, und die Spannung sowie die Lage kann mittels der gekonterten Muttern 30 eingestellt werden. Der keramische Träger 27 wird durch je zwei Bolzen 31 auf dem Körper 22 befestigt und bildet mit ihm eine Montageeinheit, die außerhalb der äußeren Schutzhülle 32 montiert und justiert werden kann. Durch richtige Dimensionierung und Einstellung der Bandspannung kann erreicht werden, daß die Eigendrehfrequenz der Drehspule der Netzfrequenz entspricht. Die Spulenenden sind mit je einem der Spanndrähte verbunden, und an diesen sind (nicht gezeichnete) Ableitungen befestigt, die mittels eines Isoliernippels nach außen geführt und mit der Sekundärwicklung des Summenwandlers verbunden sind. Auf einen der Spanndrähte 26 stützt sich der um die Welle 33 drehbare Klinkenhebel 34 ab, dessen Auflagefläche zylindrisch zur Drehachse der Spule geformt ist, damit derselbe kein merkliches Drehmoment auf die Spule ausübt. Die Welle 33 wird von einer (nicht gezeichneten) Feder entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht. Das Ende der Welle 33 ist als Halbwelle ausgebildet.

•Beim Auftreten eines Fehlerstromes infolge eines Isolationsfehlers in dem zu schützenden Stromkreis ist die geometrische Summe aller Ströme, die den Wandler durchsetzen, nicht mehr gleich Null; infolge dieser resultierenden Durchflutung wird in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert, die einen Strom in der Drehspule 24 hervorruft. Durch diesen Strom wird die Drehspule zu Drehschwingungen angeregt, selbst bei geringer Steuerenergie werden die Ausschläge erheblich, weil das mechanische System die gleiche Eigenfrequenz wie das Netz hat. Wegen der sehr geringen Dämpfung ist die Resonanzschärfe beträchtlich, und es wird die Energie von mehreren Halbwellen akkumuliert. Wenn das schwingungsfähige System dem Wandler angepaßt ist, so daß es die größtmögliche Leistung aufnimmt, dann werden die Ausschläge der Drehsp.ule nach jeder Halbwelle größer, bis der Klinkenhebel 34 nicht mehr gestützt

wird, sondern sich frei drehen kann, samt der Welle 33. Das nach außen ragende Ende der Welle 33 ist als Halbwelle ausgebildet und dient zur Verklinkung mit anderen Teilen, wie weiter unten näher beschrieben wird.

Statt dieser mechanischen Auslösung, wie sie vor allem bei kleineren Geräten zweckmäßig ist, kann man auch den Auslöser als Relais ausbilden, wie Fig. 8 zeigt. Auf die Halbwelle 33 stützt sich ein Isolierhebel 35, der um die Achse 36 drehbar ist. Eine Schenkelfeder 37 sucht ihn im Uhrzeigersinn zu drehen. Um die Achse 36 ist gleichzeitig drehbar eine haarnadelförmige Kontaktfeder 38, deren beide Enden sich auf die feststehenden Schaltstücke 39 und 40 legen. Der Isolierhebel 35 besitzt einen Ansatz 41, der hakenartig hinter die Feder 38 greift, sowie den Ansatz 42. An der Kontaktfeder 38 ist eine Zunge 43 herausgestanzt, die den Druckknopf 44 nach außen drückt. Wird die Welle 33 gedreht, dann dreht sich auch der Isolierhebel 35, und sein Ansatz 41 hebt die Kontaktfeder 38 von ihrem Gegenkontakt 40. Dadurch wird ein Ruhestromkreis unterbrochen, mittels dem der zu schützende Stromkreis gesteuert wird. Beim Wiedereinschalten muß zuerst der Knopf 44 gedrückt werden (Wiedereinschaltsperre), dann wird zuerst der Kontakt zwischen der Feder 38 und dem festen Schaltstück 39 unterbrochen, bevor das andere Ende der Feder 38 das feste Schaltstück 40 berührt. Nachdem der Isolierhebel 35 durch die Halbwelle 33 verklinkt ist, wird der Druckknopf 44 losgelassen, und indem sich das Federende 38 an das Schaltstück 39 anlegt, ist der Ruhestromkreis wieder geschlossen und der Hauptschalter einschaltbereit. Fig. 10 zeigt die Schaltung: Uber das speisende Kabel 45 ist der Aufsteckwandler 46 geschoben, die Phasenleiter und der Mp-Leiter sind an die vier Pole eines Schalters mit Freiauslösung 47 und Ruhestromauslösung 48 angeschlossen. Dieser liegt zwischen dem Mp-Leiter und einem der Phasenleiter und ist über das Kontaktsystem, wie es Fig. 8 zeigt, angeschlossen. Die sekundäre Wicklung des Wandlers 46 speist die Drehspule des Relais. Eine besonders vorteilhafte Ausführung des Summenwandlers mit dem Relais zeigt Fig. 9. Ein Gehäuse 49 enthält den Wandler 46, der in Schaumstoff gelagert ist, und in einer vorgesehenen Kammer 50 das Relais, ebenfalls in Schaumstoff eingebettet. Die Schaltstücke 39 und 40 sind mit den Klemmen 51 verbunden. Das Gehäuse hat einen zylindrischen Durchbruch, durch den das Kabel 52 gesteckt wird. Um die Fehlerstromschutzschaltung herzustellen, braucht man lediglich die Ruhestromspule 48 über die Klemmen 51 zu schleifen.

Bei kleineren Geräten ist es zweckmäßig, alle zusammenwirkenden Teile zu einer einzigen Baueinheit zusammenzubauen und in einem alles umschließenden Gehäuse unterzubringen. Bei solchen Geräten kann man keine Ruhestromauslösung vorsehen, wie sie oben beschrieben wurde, sondern muß eine direkte Auslösung des Schalters anstreben. Voraussetzung dazu ist ein Schalterschloß mit genügend hoher Übersetzung, das aber ferner die Schaltgeschwindigkeit nicht zu sehr beeinträchtigt. Ferner verlangt man, daß ein solches Gerät, das z. B. für Hausinstallationen oder für sonstige kleinere Verbraucher bestimmt ist, von jedem Durchschnittsmonteur angeschlossen werden kann, daß also lediglich die Polklemmen anzuschließen sind, während alle anderen Verbindungen im Gerät fabrikseitig verlegt sind. Eine solche zweckmäßige Bauform für Installationsschalter nach dem Fehlerstromprinzip _; zeigen Fig₁ 1, 2, 3 und 4. Der

Claims

Schalter besteht aus dem hohlen Sockel 1 aus kriechstromfestem Isoliermaterial, dessen Oberfläche durch Rippen 2 in Längskammern unterteilt ist, in denen die einzelnen Schalterpole untergebracht sind. Jeder Schalterpol besteht aus zwei feststehenden Schaltstücken 3. und 4 (das Schaltstück 4 bildet das Ende der Primärwicklung des Summenwandlers), den Spezialanschlußklemmen 5 sowie der in Isolierstoff gelagerten Schaltbrücke 6, die von den Hebeln 7 der Welle 8 gemeinsam angetrieben werden. Eine Rückstellfeder 9 sucht die Schaltbrücke 6 in die Ausschaltstellung zu schieben, die Druckfedern 10 sorgen für gleichbleibenden Kontaktdruck, die eigentlichen Kontaktflächen können mit aufplattiertem Ag-Belag versehen sein. Durch parallel zur Schaltbrücke 6 verschiebbare Zwischenelektroden 11, die durch ein isolierendes Zwischenstück 12 voneinander getrennt sind, kann die Schaltleistung, durch Verdoppelung des Elektrodeneffektes, wesentlich gesteigert werden. Der Summenwandler besteht aus dem ovalen Wickelkern 13, den primären Leitern 14 und der sekundären Wicklung 15. Er ist ganz in Schaumstoff gelagert, um mechanische Überbeanspruchungen zu vermeiden. Die Sekundärwicklung speist den Auslöser 17, der die Verklinkung 18 beeinflußt, diese wirkt auf das Schloß 19 und löst den Schalter aus, sobald der Auslöser 17 "anspricht. Das Schalterschloß besteht aus einem hochflexiblen Metallband, das sich einseitig abstützt und bei einem Druck von oben in die gestrichelte Lage durchknickt. Dadurch kann sich die Welle 8 in die Ausschaltstellung begeben. Durch die sehr geringen, zu beschleunigenden Massen ist die Schaltgeschwindigkeit sehr hoch, ebenso ist wegen des Fehlens von Reibung die mögliche Übersetzung dieses Schlosses beträchtlich, jedoch sind auch andere Schloßkonstruktionen anwendbar. Der Prüfumschalter 20 ist als Einsatz ausgebildet, er besteht aus zwei Umschaltern, die in bekannter Weise nacheinander zwei Phasenleiter, z. B. R und S, über einen Widerstand an den Mp-Leiter legen, derart, daß der Wandler 13 umgangen wird. Auf diese Weise wird ein Fehlerstrom im Wandler hervorgerufen und die Funktion des Gerätes geprüft. Durch Ersatz des Auslösers 17 durch einen FehlerspannungsauslÖser nach VDE 0663, dessen Anker auf das Schloß 19 einwirkt, und Fortfall des Wandlers 13 kann man aus denselben Bauteilen auch Fehlerspannungsschutzschalter bauen, man hat also durch geringfügige Änderungen zwei verschiedene Schaltertypen, die jede ihr besonderes Anwendungsgebiet hat und ermöglichen rationelle Fertigung in großen, lohnenden Serien. Patentansprüche:

1. Auslöser oder Relais für Fehlerstrom-Schutzschalter nach dem Summenstromprinzip mit einem auf Netzfrequenz abgestimmten, schwingungsfähigen Meßsystem, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßsystem eine Drehspule verwendet wird, die im Luftspalt eines permanenten Magneten Drehschwingungen ausführen kann, und an die sich oder an ein damit verbundenes Teil ein Hebel abstützen kann, der sich unter dem Einfluß einer Feder dreht, sobald die Drehspule eine genügende Amplitude ihrer Drehung erreicht.

2. Auslöser oder Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehspulsystem geringes Trägheitsmoment besitzt und .mit einer einstellbaren Rückstellkraft versehen ist, die erlaubt, die Eigenfrequenz der Drehschwingungen gleich der Netzfrequenz einzustellen.

3. Auslöser oder Relais nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem als Kernmagnet ausgebildet ist und der magnetische Rückschluß durch eine Eisenhülse erfolgt, die den zylindrischen Magneten koaxial umgibt.

4. Auslöser oder Relais nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung des schwingenden Systems so gering ist, daß es beim Auftreten eines Fehlerstromes in Resonanzschwingungen gerät, deren Ausschläge bei jeder Halbwelle anwachsen, bis die Energie ausreicht, entweder eine Verklinkung freizugeben oder einen Kontakt zu steuern.

5. Auslöser oder Relais nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehspule an Spanndrähten oder an Spannbändern aufgehängt ist, deren Länge oder Vorspannung oder beide zugleich verändert werden können, um die Eigenfrequenz abzustimmen, und deren Vorspannung durch federnde Aufhängung hervorgerufen wird.

6. Auslöser oder Relais nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbänder oder Spanndrähte haarnadelförmig gebogen sind und daß die Drehspule so in diese Dralit- oder Bandschlingen gelegt ist, daß die Drehachse zwischen den beiden Schenkeln der Drahtschlinge in deren Mitte verläuft, und daß die Spulenenden mit je einem der Spanndrähte oder -bänder leitend verbunden ist.

7. Auslöser oder Relais nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Klinkenhebel, der auf einer Welle sitzt, so auf einen Schenkel des Spanndrahtes abstützt, daß er sich nicht drehen kann, daß aber die Drehung unter der Wirkung einer Feder dann erfolgt, wenn sich die Drehspule selbst hinreichend gedreht hat.

8. Auslöser oder Relais nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende dieser Welle aus dem Gehäuse herausragt und als Halbwelle ausgebildet ist.

9. Auslöser oder Relais nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf die Halbwelle nach Anspruch 8 ein Verklinkungshebel od. dgl. abstützt, der auf das Schloß eines Schalters einwirken kann.

10. Relais nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf die Halbwelle ein Isolierhebel abstützt, der bei seiner Freigabe eine Kontakteinrichtung betätigt.

11. Auslöser oder Relais nach Anspruch 1, 2, 3,

4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß man nachträglich an dem vorfabrizierten Bauelement entweder eine Verklinkung oder eine Kontakteinrichtung anbringen kann.

12. Relais nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Auslösung eine Rückstelltaste gedrückt wird, bei deren Niederdrücken ein Kontakt sich öffnet, der so lange geöffnet bleibt, bis das Relais wieder auslösebereit ist, und der mit dem Relaiskontakt in Reihe geschaltet ist.

13. Relais nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese Rückstellung statt manuell durch einen Elektromagneten erfolgt.

14. Summenstromwandler für Fehlerstromschutzschalter mit Relais nach Anspruch 1, 2, 3, 4,

5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der gewickelte Ringkern, in Schaumstoff eingebettet, im Innern eines Gehäuses untergebracht ist, das einen zylindrischen Durchbruch