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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion pulsförmiger Erdströme in einer
Netzanschlussleitung eines elektrischen Großgeräts an ein einphasiges oder
mehrphasiges System aus Li, i = 1, 2, 3, ..., mit oder ohne Nullleiter
N und einem Schutzleiter PE, bei Zwischenschaltung eines Fehlerstromschutzschalters,
und eine Kompensationsschaltung zur Durchführung des Verfahrens der Fehlerstromverlagerung
von einem Schutzleiter PE auf einen Nullleiter N.
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Beim
Aufbau von Anlagen werden einzelne Schaltungsgruppen üblicherweise über Funkentstörfilter
vor elektromagnetischer Beeinflussung oder gegen Abstrahlung geschützt. Diese
Filterelemente enthalten Kondensatoren, die von Phase zu Masse (PE) geschaltet
sind, sog. Y-Kondensatoren. Darüber
hinaus kommen geschirmte Leitungen zum Einsatz, bei denen Adern
und geerdeter Schirm einen Kondensator von Phase zu Masse (PE) bilden.
Hinzu kommen Erdstreukapazitäten
von Transformatoren mit Schirmlage, Motoren usw.
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Anlagen,
die mit feuchtem Prozessgut und Wasser beschickt werden, müssen über einen
Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter) eingespeist werden. Hierbei
ist der Aufstellungsort der Anlage üblicherweise als Feuchtraum
definiert, und bereits die bauseitig vorhandenen Steckdosen sind über FI-Schalter
abgesichert.
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Im
Falle eines einphasigen Funkentstörfilters fließt der kapazitive
Strom durch die Y-Kondensatoren über
Masse (PE) ab und stellt somit für
den FI-Schalter einen Fehlerstrom dar. Bei einem Drehstrom-Filter
kompensiert sich der Ableitstrom im symmetrischen Fall zu null.
Tritt jedoch bei einem unsymmetrischen Spannungssystem eine Nullkomponente auf,
schließt
sich auch der Stromkreis des Nullsystems teilweise am FI-Schalter
vorbei über
Masse. Aus Sicherheitsgründen
ist der Grundschwingungsanteil des Stroms durch die Y-Kondensatoren üblicherweise
auf wenige mA begrenzt und bringt daher einen typischerweise eingebauten 30
mA-FI-Schalter nicht zur Auslösung.
Beim Einschalten der Anlage oder eines Anlagenteils können die
Y-Kondensatoren je nach Einschaltwinkel abrupt aufgeladen werden. Der
dann erhöhte
Ladestrom bzw. Stromimpuls kann zum Auslösen des FI-Schalters führen. Auch
vergrößert sich
der Ableitstrom bei Einsatz mehrerer Filter in unterschiedlichen
Anlagen oder Anlagenteilen am gleichen FI-Schalter entsprechend.
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Beim
Betrieb eines Umrichters mit Stromzwischenkreis oder Spannungszwischenkreis
mit vorgeschalteter Glättungsdrossel
können
die rechteckförmigen
Stromimpulse an den Anschlüssen
an den dem Netzfilter vorgeschalteten Zuleitungsinduktivitäten induktive
Spannungsabfälle
erzeugen, die lokale Spannungsschwankungen an den Y-Kondensatoren bewirken.
Diese höherfrequenten
Spannungsschwankungen bewirken einen Stromfluss durch die Y-Kondensatoren zu
Masse. Da die Stromkommutierung immer paarweise zwischen zwei Phasen
stattfindet, kompensieren sich im symmetrischen Fall auch die Nullströme der abschaltenden
und zuschaltenden Phase gegeneinander. Im Fall unsymmetrischer Leitungsinduktivitäten verbleibt
jedoch ein Reststrom zur Masse.
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Das
Auslösen
der FI-Schalter durch den Einschaltstromimpuls durch die Erdkondensatoren könnte auch
durch ein gezieltes Voraufladen der Kondensatoren verhindert werden,
beispielsweise durch kurzzeitiges Vorschalten eines Ladewiderstands,
wie es zum Aufladen größerer Glättungskondensatoren üblich ist.
Das Auslösen
durch ein unsymmetrisches Spannungssystem kann durch schaltungstechnische
Maßnahmen
zur Spannungssymmetrierung verhindert werden. Das Voraufladen der Erdkapazitäten erfordert
den Einbau der Ladewiderstände
samt Hilfsschütz
und Zeitsteuerung. Dazu kommt das Leistungsschütz zum niederohmigen Zuschalten
der Last.
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Alternativ
kann eine gestufte Widerstandsschaltung vorgesehen werden, die auch
ein Aufladen der Erdkapazitäten
bei angeschalteter Last ermöglicht, ähnlich einem
Anlaufwiderstand für
Elektromotoren. Beide Installationen sind aufwändiger als nur das verzögerte Zuschalten
von Schaltungsteilen mittels Leistungsschützen. Bei Geräten kann
ein langsames Anfahren mittels Vorwiderstand zu Funktionsstörungen führen.
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Eine
Spannungssymmetrierung im Falle hochfrequenter Stromanteile kann
durch eine Filterung erfolgen. Da ein solches Filter jedoch auf
den meist hohen Nennstrom ausgelegt sein muss, ist es aufwändig. Prinzipiell
wäre es
möglich,
einen FI-Schalter zu konstruieren, der ein langsameres Auslöseverhalten
besitzt und somit tolerant gegenüber
Stromimpulsen ist. Auch wäre
es möglich,
höherfrequente
Stromimpulse mittels einer Kondensatorbeschaltung am FI-Schalter
vorbeizuleiten. Beide Maßnahmen
beeinflussen jedoch direkt den FI-Schalter als Sicherheitsbauteil
und werden deshalb als Lösung
nicht in Betracht gezogen.
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Daraus
entstand die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt: es soll
eine Anlage mit großen Ableitkapazitäten zur
Erde/Masse bei vorgeschaltetem Fehlerstrom(FI)-Schalter ohne Fehlauslösung des
FI-Schalters durch Ableitströme
zur Erde, insbesondere bei Einschaltvorgängen betrieben werden. Das
unnötige
Auslösen
des FI-Schalters aufgrund eines Ladestromimpulses der Erdkapazitäten soll
verhindert werden.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Das
Verfahren ist mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch 7 oder
9 durchführbar.
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Nach
Anspruch 1 besteht das Verfahren zur Reduktion pulsförmiger Erdströme in einer
Netzanschlussleitung eines einphasigen oder mehrphasigen Systems
Leitern Li, mit i = 1, 2, 3, ..., mit oder ohne Nullleiter N und
einem Schutzleiter PE, eines elektrischen Großgeräts bei Zwischenschaltung eines
Fehlerstromschutzschalters aus den Schritten, erstens das Großgerät wird in
einzeln ansteuerbare Schaltgruppen unterteilt, die in jeweils vorgebbar
zeitlichem Abstand, der Schaltzeit, und Reihenfolge, der Zuschaltfolge,
nacheinander an die Netzspannung zugeschaltet werden, wobei die
vorgebbaren Schaltzeiten und Zuschaltfolge derart festgelegt werden,
dass der pulsförmige
Erd strom durch die Netzanschlussleitung mit zwischengeschaltetem
Fehlerstromschutzschalter diesen nicht auslöst. Zweitens wird die Nichtauslösung nach
Bedarf durch eine Kompensationsschaltung entweder ergänzend unterstützt oder
alternativ bewirkt, die durch Einleiten eines Kompensationsstromes
zwischen dem Schutzleiter PE und dem Nullleiter N die pulsförmigen Erdströme vom Schutzleiter
PE auf den Nulleiter N verlagert. Vorzugsweise findet das Verfahren
bei ein- und dreiphasigen Systemen mit und ohne Nullleiter Anwendung.
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Zweckmäßige und
vorteilhafte weitere Verfahrensschritte sind in den abhängigen Unteransprüchen 2 bis
6 beschrieben. Nach Anspruch 2 wird einerseits der Kompensationsstrom
zur Fehlerstromverlagerung aus der Unsymmetrie der Spannungen zwischen
den netzseitigen Leitern Li und dem Schutzleiter PE, die einen Strom
im Nullsystem treibt, mit einem einstellbaren Faktor gewichtet,
als gegenphasiger Kompensationsstrom eingespeist. Das wird als Nachbildung
der Erdkapazitäten
beschrieben. Da im Allgemeinen keine vollständige Kompensation des Erdstroms
benötigt
wird, ist eine Nachbildung, bestehend nur aus Kapazitäten, meist
ausreichend. Im Falle nicht vernachlässigbarer, ohmscher Impedanzanteile
kann die Nachbildung durch ohmsche Serienwiderstände ergänzt werden.
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Andrerseits
wird nach Anspruch 3 der Summenstrom in den netzseitigen Leitern
Li und dem Nullleiter N in der Art einer Vektoraddition gebildet und
um einen vorgebbaren Faktor verstärkt, um gegenphasig zwischen
dem Nullleiter N und dem Schutzleiter PE zur Kompensation in der
Art eines Proportionalreglers eingekoppelt zu werden.
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Nach
Anspruch 4 hat das Übertragungsverhalten
Hochpasscharakter, wodurch netzfrequente Signale gesperrt werden.
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Nach
Anspruch 5 hat das Übertragungsverhalten
den Charakter einer Bandsperre, weshalb netzfrequente Signale gesperrt
werden.
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Schließlich wird
nach Anspruch 6 das Verfahren betriebszuverlässig automatisiert und damit einerseits
die Schaltzeiten, die Zuschaltfolge und die Schaltgruppen sowie
andrerseits die Einstellung der Kompensationsschaltung rechnergesteuert
in einem iterativen Prozess durchgeführt.
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Die
für das
Verfahren geeigneten beiden Kompensationsschaltungen zeichnen sich
folgendermaßen
aus:
Nach Anspruch 7 enthält
die Kompensationsschaltung eine Nachbildung der Erdkapazitäten des
Großgeräts derart,
dass die Kapazitäten
Ci auf einen gemeinsamen Sternpunkt verschaltet sind. Darunter wird
die Nachbildung der Erdkapazitäten
verstanden. Der Sternpunkt ist über
einen hochohmigen Widerstand R2 mit dem Schutzleiter PE verbunden.
Der Widerstand R2 ist Gleichspannungspotentialgeber am Eingang eines
Operationsverstärkers
IC1. Der Operationsverstärker
mit Gegenkopplung ist über
einen Widerstand R1 zum invertierenden Strom-Spannungs-Wandler verschaltet
und mit seinem Ausgang an einen Leistungsverstärker IC2 angeschlossen. Der
Ausgang des Leistungsverstärkers
IC2 ist an den Eingang eines Transformators Tr1 angeschlossen, dessen
Ausgang über
einen Kondensator Cs mit dem Nulleiter N und den Schutzleiter PE
verbunden ist.
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Nach
Anspruch 8 sind im Fall des einphasigen Netzes überflüssige Kapazitäten zu Null
setzbar.
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Nach
Anspruch 9 ist der Ausgang eines über die Leiter Li und dem Nullleiter
N gespeisten Summenstromwandlers Tr1 über einen Bürdenwiderstand R1 mittelbar über einen
Widerstand R2 an den Eingang eines Operationsverstärkers IC1
angeschlossen, wobei der Operationsverstärkers über einen rückkoppelnden Widerstand R3
mit einer Gegenkopplung R2/R3 als invertierender Verstärker arbeitet.
Dem Operationsverstärker
IC1 ist ein Hochpass nachgeschaltet, dem ein Leistungsverstärker IC2 folgt.
Der Leistungsverstärker
IC2 ist mit seinem Ausgang an den Eingang eines Transformators Tr2
angeschlossen, dessen Ausgang über
einen Kondensator Cs mit dem Nulleiter N und den Schutzleiter PE verbunden
ist.
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Nach
Anschluss 10 erfolgt im Falle eines Netzes ohne Nullleiter die Verlagerung
des Stromes statt in den N-Leiter in den Sternpunkt eines kapazitiven
Sternpunktbildners.
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Das
Verfahren und die dazu tauglichen beiden Kompensationsschaltungen
werden im Folgenden näher
beschrieben und erläutert:
Einerseits
werden bei der verzögerten
Inbetriebnahme einzelne Schaltungsteile/-gruppen mit Erdkapazitäten zeitlich
gestaffelt in Betrieb genommen. Dadurch wird ein großer Ladestromimpuls
in mehrere kleinere Ladestromimpulse zerlegt. Die Größe der einzelnen
Schaltungsteile wird dabei so gewählt, dass kein Ladestromimpuls
eines Schaltungsteils den FI-Schalter zum Auslösen bringt. Die zeitliche Staffelung
erfolgt im Allgemeinen so, dass der vorangehende Ladestromimpuls
abgeklungen ist, bevor der nächste
Impuls folgt. Eine zeitliche Überlappung der
abklingenden Pulse wird zugelassen, dadurch wird der Stromscheitel
gegenüber
dem Fall einer gemeinsamen Zuschaltung so reduziert, dass die Anregungsschwelle
des FI-Schalters nicht überschritten wird.
Die Auslösung
von FI-Schaltern erfolgt üblicherweise
elektromechanisch. Da aufgrund der mechanischen Trägheit für die Auslösung eine
gewisse kurze Zeitspanne der Stromeinwirkung benötigt wird, erfolgt eine Auslegung
so, dass die Anregungsschwelle für
eine kurze Zeitspanne, die kürzer
als die Ansprechzeit des FI-Schalters ist, überschritten wird. Dann ist
allerdings eine genügend
lange Impulspause nach dem Impuls vorzusehen, innerhalb der der FI-Schalter
wieder seinen Grundzustand einnimmt.
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Das
Problem einer Fehlauslösung
eines FI-Schalters an einer Weinelektroporationsanlage wurde beispielsweise
auf diese Art gelöst.
Der Lüftermotor
des Netzteils besitzt eine vergleichsweise große Erdstreukapazität. Durch
eine um ca. 0,5 s verzö gerte
Einschaltung des Lüfters
konnte der Ladestrom der Erdstreukapazitäten in zwei genügend kleine
Ladestromimpulse aufgeteilt werden, so dass ein vorgeschalteter
30 mA-FI-Schalter nicht mehr ansprach. Die Verzögerung wurde mittels eines
einschaltverzögerten
Schützes
vorgenommen.
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Können bei
einem vorhandenen Gerät
keine Eingriffe vorgenommen werden, bleibt nur eine externe Stromkompensation.
Deshalb wird andrerseits insbesondere bei fertig aufgebauten Anlagen
und Geräten
nicht ohne weiteres in die interne Funktion des Geräts eingegriffen.
Daher ist ein verzögertes Einschalten
einzelner Geräteteile
nicht unbedingt möglich.
In diesem Fall ist es hilfreich, den Fehlerstrom im PE-Leiter zu
kompensieren. Dies geschieht durch Einbau einer gesteuerten Stromquelle
zwischen PE- und N-Leiter, die einen Strom in Höhe des Stroms durch die Erdkapazitäten vom
PE- auf den N-Leiter ableitet. Konstruktionsbedingt ist der Strom durch
die Erdkapazitäten
nicht immer direkt messbar, insbesondere bei den Y-Kondensatoren.
Das Steuersignal für
die gesteuerte Stromquelle kann jedoch alternativ auf zwei Methoden
generiert werden:
Einerseits kann der Stromfluss durch den
PE-Leiter zwischen Einspeisung und Funkentstörfilter als erstem Bauelement
der Anlage gemessen und dem Eingang eines P-Reglers zugeführt werden.
Der P-Regler regelt die gesteuerte Stromquelle derart, dass der Strom
durch den PE-Leiter nahezu Null wird. Bei dieser Methode muss sichergestellt
werden, dass ein tatsächlicher
Fehlerstrom nicht ebenfalls ausgeregelt wird. Dies kann entweder
durch eine räumlich
nahe Anordnung an das Funkentstörfilter
und/oder andere Anlagenteile mit großen Erdkapazitäten sichergestellt
werden, wobei andere, nicht überwachte PE-Anschlüsse baumartig
vor der Messstelle angeschlossen sind – in diesem Fall werden Fehlerströme der nicht überwachten
Zweige nicht kompensiert –, oder
durch den Einbau eines Hochpassfilters, der die Ausregelung auf
kurze Impulse bzw. höherfrequente Signale
begrenzt. Ein grundfrequenter bzw. netzfrequenter Störstrom würde dann
nicht ausgeregelt werden. Außerdem
muss gewährleistet
sein, dass kein Parallelstrompfad zur Strommessstelle existiert.
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Eine
andere Methode besteht in der Nachbildung der Erdkapazitäten durch
ein Kondensatornetzwerk mit nachgeschaltetem Strom-Spannungswandler.
Wird das Nachbildungsnetzwerk nahe der Anlagenkomponenten mit großen Erdkapazitäten angeschaltet,
liegt an ihm die gleiche Spannung wie über diesen Anlagenkomponenten
und es stellt sich folglich auch der gleiche Stromfluss ein. Der Strom-Spannungswandler
stellt ein dem Stromfluss proportionales Spannungssignal als Eingangssignal für die gesteuerte
Stromquelle zur Verfügung.
Durch die Steuerung der gesteuerten Stromquelle einzig auf der Grundlage
des Nachbildungsnetzwerks ist gewährleistet, dass ein tatsächlicher
Fehlerstrom unabhängig
von dessen Frequenzanteilen nicht ausgeregelt wird. Auch haben Parallelpfade
zur Masseverbindungsleitung, beispielsweise eine zusätzliche
Erdung, keinen Einfluss auf die Funktion. Um den Stromfluss durch
das Nachbildungsnetzwerk an den Aussteuerungsbereich des nachgeschalteten Strom-Spannungs-Wandlers
anzupassen, werden seine Kondensatorwerte um einen Skalierungsfaktor verkleinert.
Der Ausgleich erfolgt durch eine nachfolgende Rückskalierung.
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Da
das kapazitive Nachbildungsnetzwerk direkt an dem zu schaltenden
Schaltungsteil angeschlossen sein muss, eignet sich diese Auskopplungsmethode
insbesondere beim Aufbau einer Anlage aus mehreren fertigen, unmodifizierbaren
Anlagenkomponenten/gruppen.
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Bei
der Erfassung des Stromflusses in der Anlagenzuleitung kann die
Kompensationsschaltung entweder am Eingang der mobilen Anlage, in
einem separaten Gehäuse
zum Zwischenstecken in das Anschlusskabel, oder auch stationär im bauseitigen Schaltschrank
nahe des FI-Schalters eingebaut werden.
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Beim
Einbau der Strommessstelle in den PE-Leiter wird vorausgesetzt,
dass sich der Stromkreis der ableitenden Erdkapazitäten über diesen Leiter
zum Netz zurück
schließt
und keine Parallelstrompfade existieren. Insbesondere bei einem
anlagenfernen Einbauort wie z. B. einem bauseitigen Schaltschrank,
kann durch eine zusätzliche
Erdung einer Anlage ein Parallelstrompfad entstehen. Für diesen
Fall ist es vorteilhaft, den Stromfluss statt direkt im PE-Leiter
als Summenstrom durch die stromversorgenden Leiter L1 bis L3 und
N (bzw. nur L1 und N oder nur L1 bis L3 – je nach Anschlussart) zu
messen. Dies entspricht der Fehlerstromerfassung, wie sie auch beim
FI-Schalter realisiert ist.
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Für eine korrekte
Funktion des FI-Schalters dürfen
PE- und N-Leiter
nach dem FI-Schalter nicht verbunden sein. Durch eine solche Verbindung
würde ein
Teil des Laststroms durch den N-Leiter
fälschlicherweise
durch den PE-Leiter am FI-Schalter vorbeigeleitet werden. Dadurch
kann der FI-Schalter auslösen.
Auch könnte
umgekehrt ein Teilstrom eines Fehlerstroms vom PE-Leiter auf den N-Leiter überwechseln
und damit vom FI-Schalter nicht registriert werden. Damit durch
die Schaltung zur Fehlerstromkompensation in keinem Fall eine niederohmige
Verbindung zwischen N und PE hergestellt wird, kommt eine Stromquelle
zum Einsatz, die definitionsgemäß einen
hohen Innenwiderstand aufweist. Bei Einsatz einer definitionsgemäß niederohmigen
Spannungsquelle würde
bei Ausfall der Kompensationsschaltung eine niederohmige Verbindung
zwischen N und PE bestehen.
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Eine
hochohmige Stromquelle für
den beschriebenen Zweck kann vorteilhafterweise aus einer Spannungsquelle
mit einer in Serie geschalteten Impedanz realisiert werden. Da insbesondere
höherfrequente
Signale übertragen,
jedoch Signale mit Netzfrequenz geblockt werden sollen, bietet sich
der Einsatz eines Kondensators Cs oder einer Serienschaltung aus
Kondensator Cs und ohmschem Widerstand an. Als Spannungsquelle kann
beispielsweise ein Audio-Leistungsverstärker ausreichender Leistung
und Bandbreite dienen, dem ggf. ein Transformator zur Spannungserhöhung nachgeschaltet
ist. Der Querstrom zwischen N- und PE-Leiter bei Ausfall der Kompensationsschaltung
ergibt sich aus der Spannungsdifferenz dividiert durch den Widerstand. Ausge gangen
im ungünstigen
Fall von einer Spannungsdifferenz von 20 V und einem tolerierbaren Stromwert
von 3 mA (10% des Auslösestroms
von 30 mA) bei 50 Hz aus, erhält
man als Obergrenze für eine
kapazitive Vorimpedanz Cs = 470 nF. Im in 3 gezeigten
Beispiel wird das Stromsignal von der Resonanzschwingung zwischen
Erdkapazitäten und
Leitungsinduktivitäten
dominiert. Die Frequenz liegt in der Größenordnung von ca. 10 kHz.
Der Blindwiderstand der 470 nF-Serienkapazität beträgt hierbei ca. 33 Ohm. Der
Scheitelstrom im genannten Beispiel beträgt ca. 50 A. Zur vollständigen Kompensation
dieses Stroms bei den gegebenen Werten würde nach der komplexen Wechselstromrechnung
eine Spannung von mindestens 1,7 kV benötigt. Zum Ausgleich der kapazitätsbedingten
Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung kann das Übersetzungsverhältnis jedoch
höher gewählt werden,
damit der transformierte Ausgangswiderstand des Verstärkers als
ohmscher Quellenwiderstand wirkt. Damit die Kompensationsschaltung
kleiner ausgelegt werden kann, ist zur Vermeidung der Auslösung des FI-Schalters
auch eine Teilkompensation des Stroms ausreichend. Um mögliche Resonanzschwingungen zwischen
Kondensator und Transformator- bzw. Leitungsinduktivitäten zu dämpfen, kann
ein ohmscher Widerstand zusätzlich
in Serie geschaltet werden. Er beeinflusst auch das Stabilitätsverhalten
des Regelkreises.
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Der
Einsatz einer gesteuerten Stromquelle in einem Rückkopplungszweig erlaubt die
Kompensation netzfrequenter Stromanteile. Obwohl für den beschriebenen
Anwendungsfall die Kompensation des Einschaltstromimpulses ausreichend
ist, können prinzipiell
auch niederfrequente Stromanteile kompensiert werden. Hierfür eignen
sich beide Möglichkeiten
zur Erfassung des Fehlersignals, die Strommessung als auch die Nachbildung
der Erdkapazitäten.
Damit ein Fehlerstrom zur Auslösung
führt und nicht
kompensiert wird, kann der maximal von der Kompensationsschaltung
eingespeiste Strom auf den zu kompensierenden Ableitstrom begrenzt
werden. Ein zusätzlicher
Strom würde
als Fehlerstrom erkannt werden. Eine solche Strombegrenzung kann entweder
manuell für
eine gegebene Anlage fest vorgegeben werden, oder im Falle ständig veränderbarer
Konfigurationen auf der Basis einer automatisierten Messung der
Erdkapazitäten
oder des kapazitiven Anteils des Erdstroms automatisch kontinuierlich angeglichen
werden. Ein Ableitstrom im Falle einer Verbindung eines Außenleiters
zu Masse zeichnet sich im Gegensatz zum kapazitiven Ableitstrom durch
einen Wirkstrom und/oder einen induktiven Blindstrom aus. So ist
aufgrund der Phasenlage des Stroms zur Spannung eine Unterscheidung
zwischen Ableit- und Fehlerstrom zwecks automatischen Kompensationsabgleichs
möglich.
Ein Beispiel für
ständig veränderbare
Konfigurationen wäre
der bauseitige Einbau der Kompensationsschaltung, wobei ständig wechselnde
Verbraucher angeschlossen werden. Zur Kompensation netzfrequenter
Ableitströme
wird auf den beschriebenen Hochpass entweder ganz verzichtet, oder
die beschriebene Strombegrenzungsschaltung wird für niederfrequente
Anteile wirkend parallel geschaltet.
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Im
Falle einer im Betrieb wechselnden Konfiguration wird der Einschaltstromimpuls
durch die Wirkung des Hochpasses kompensiert. Im Falle einer zusätzlichen
Kompensation netzfrequenter Stromanteile wird hierdurch gleichzeitig
die Schwelle zur Kompensation der netzfrequenten Stromanteile auf eine
vorgebbare obere Grenze erhöht,
um eine mögliche
Erhöhung
des Ableitstroms vorab auszugleichen. Innerhalb weniger Netzperioden
nach Abklingen des Einschaltstromimpulses wird der Kompensationsstrom
abhängig
von der Impedanz- oder Strommessung wieder soweit verringert, bis
ein kapazitiver Erdstrom vorgebbarer Höhe fließt. Dabei ist bei der Wahl
der beiden Grenzen zu berücksichtigen,
dass bei der oberen Grenze des Kompensationsstroms noch ein gewisser
Restschutz für
den Ableitstrom besteht, wobei die Vorgabe des Rest-Erdstroms zusammen
mit der Auslöseschwelle
des FI-Schalters
den Toleranzbereich für
die Auslösung
vorgibt.
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Wird
nur eine Kompensation der pulsförmigen
Einschaltableitströme
benötigt
und treten systembedingt aperiodisch gedämpfte oder stark gedämpfte oszillierende
Pulse auf, kann die Stromquelle vorteilhaft durch einen in Amplitude
und/oder Pulslänge sowie
Polarität
steuerbaren Pulsgenerator ersetzt werden. Dieser Pulsgenerator speist
einen Kompensationspuls entgegengesetzter Polarität wie der
zu kompensierende Einschaltableitstromimpuls zwischen N und PE ein.
Auf eine exakte Kompensation des Einschaltstromimpulses kann insoweit
verzichtet werden, wie es die Auslöseschwelle und Auslösezeit des
FI-Schalters zulassen. Daher ist auch die Pulsform des Pulsgenerators
von untergeordneter Bedeutung. Sie muss nicht der Kurvenform des
zu kompensierenden Impulses entsprechen. Übliche Kurvenformen sind Rechteckimpuls,
bzw. exponentiell abfallender oder schwingend gedämpfter Pulsverlauf,
wie sie durch eine Kondensatorentladung erzeugt werden. Bei unveränderbarer
Konfiguration der Erdkapazitäten
kann die Einstellung des Pulsgenerators einmalig fest vorgenommen
werden. Soll eine Veränderung
der Erdkapazitäten
infolge von Konfigurationsveränderungen
automatisch mit berücksichtigt werden,
bietet sich eine Steuerung der Pulsamplitude und/oder Pulslänge an.
Da die Pulsamplitude im Allgemeinen durch die Ladespannung vorgegeben ist,
lässt sie
sich eher langsam ändern.
Eine schnelle Änderung
ist bei der Pulslänge
möglich.
Eine vorteilhafte Schaltung besteht aus einem Speicherkondensator
in Serie mit einem abschaltbaren Schaltelement, z. B. einem IGBT
oder Transistor, über
den die Pulslänge
gesteuert wird. Eine Ladeschaltung lädt dabei den Kondensator zwischen
den Pulsapplikationen nach.
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Zusammengefasst
sind die Merkmale der Erfindung:
- – die zeitgestaffelte
Teilzuschaltungen zum Zweck der Stromreduktion im PE-Leiter;
- – Kompensation
eines Massestroms durch die Erdkapazitäten durch einen gesteuerte
Stromquelle zwischen N- und PE-Leiter;
- – die
Ansteuerung der gesteuerten Stromquelle durch einen P-Regler, der den Stromfluss
durch den PE-Leiter in einem Frequenzbereich genügend oberhalb der Grundschwingungsfrequenz nahezu
zu Null regelt;
- – die
Ansteuerung der gesteuerten Stromquelle auf der Grundlage einer
Netznachbildung der Erdkapazitäten,
wobei die Netznachbildung ein Stromsignal proportional zum Strom über die
Erdkapazitäten
liefert.
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Dadurch
wird der Vorteile des einfachen Betriebs einer Anlage mit großen Ableitkapazitäten zu Erde
bei vorgeschaltetem FI-Schalter
ohne Fehlauslösungen
des FI-Schalters durch Ableitströme
zur Erde insbesondere bei Einschaltvorgängen erzielt.
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Im
Weiteren wird die Zeichnung mit ihren 1 bis 3 noch
kurz erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:
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1 die
Kompensationsschaltung mit Nachbildung der Erdkapazitäten;
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2 die
Kompensationsschaltung mit Summenstrommessung;
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3 den
Stromimpuls im PE-Leiter am FI-Schalter gemessen.
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1 zeigt
das Prinzipschaltbild des Ausführungsbeispiels
mit einer Nachbildung der Erdkapazitäten. Die Nachbildung wird durch
die Kondensatoren C1 bis C3 vorgenommen. Der Operationsverstärker IC1
mit einer Gegenkopplung über
R1 arbeitet als invertierender Strom-Spannungs-Wandler. Die Dioden
D1 und D2 dienen als Überspannungsschutz. Der
hochohmige Widerstand R2 definiert das Gleichspannungspotential
am Eingang von IC1. Der Leistungsverstärker IC2 verstärkt und überträgt das Signal
an den Transformator Tr1, der das hochgespannte Signal über den
Kondensator Cs zwischen N und PE einspeist. Das skizzierte Gerät weist
die großen Erdströme auf.
Anschlussseitig vorgeschaltet (nicht eingezeichnet) ist der FI-Schalter
sowie das Schütz zum
Einschalten des Geräts.
Die Phasenlage des über
Cs und Tr1 zwischen den Leitern N und PE eingespeisten Stromsignals
ist so gewählt,
dass der Stromfluss im PE-Leiter einspeisungsseitig reduziert wird.
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2 zeigt
das Prinzipschaltbild des Ausführungsbeispiels
mit einer Summenstrommessung. Die Summenstrommessung wird mittels
des Stromwandlers Tr1 und des angeschlossenen Bürdenwiderstands R1 vorgenommen.
Der Operationsverstärker
IC1 mit einer Gegenkopplung über
R2/R3 arbeitet als invertierender Verstär ker. Über seinen Verstärkungsfaktor
lässt sich
zusammen mit den Verstärkungsanteilen
der anderen Komponenten die Gesamtverstärkung der Schaltung festlegen.
Der nachgeschaltete Hochpass verhindert die Kompensation netzfrequenter
Signale, so dass nur Einschaltstromimpulse ausgeregelt werden. Der
Leistungsverstärker
IC2 verstärkt
und überträgt das Signal
an den Transformator Tr1, der das hochgespannte Signal über den
Kondensator Cs zwischen N und PE einspeist. Das skizzierte Gerät weist
die großen
Erdströme
auf. Anschlussseitig vorgeschaltet (nicht eingezeichnet) ist der
FI-Schalter. Die Phasenlage des über
C1 und Tr2 zwischen den Leitern N und PE eingespeisten Stromsignals
ist so gewählt,
dass der Stromfluss im PE-Leiter einspeisungsseitig reduziert wird.
Gleichzeitig wird über
die Stromeinkopplung in den N-Leiter das Ausgangssignal von Tr1
und damit das Eingangssignal des invertierenden Verstärkers um
IC1 reduziert. Damit arbeitet die Schaltung als gegengekoppelter
P-Regler, der den Stromfluss durch den eingangsseitigen PE-Leiter
zu Null regelt. Wie für P-Regler üblich bestimmt
dabei die Gesamtverstärkung
die bleibende Regelabweichung.
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3 zeigt
beispielhaft einen oszilloskopisch aufgenommenen Stromimpuls im
PE-Leiter einer Anschlussleitung eines elektrischen Großgeräts im Einschaltmoment,
der den vorgeschalteten FI-Schalter zur Auslösung brachte.