DE19537011A1 - Fehlerstromschutzschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Fehlerstromschutzschalter ist ein mechanisches Schaltge­ rät, das dazu bestimmt ist, Ströme unter üblichen Betriebsbe­ dingungen einzuschalten, zu führen und auszuschalten und die Öffnung von in den Stromkreisen gelegenen Kontakten zu veran­ lassen, wenn der Fehlerstrom unter bestimmten Bedingungen ei­ nen vorgegebenen Wert erreicht.

Fehlerstromschutzschalter sind somit hochempfindliche Schutz­ einrichtungen, die einen im Fehlerfall fließenden Erdschluß­ strom von wenigen mA erkennen, diesen Erdschlußstrom auswerten und mittels einer Kinematik in den gefährdeten Stromkreisen gelegene Kontakte unterbrechen.

Netzspannungsunabhängige FI-Fehlerstromschutzschalter sind Fehlerstromschutzschalter, bei denen die Funktionen der Erfas­ sung, der Auswertung und der Abschaltung nicht von der Netz­ spannung abhängen. Solchen netzspannungsunabhängigen Fehler­ stromschutzschaltern steht zur Erfüllung ihrer Schutzfunktion als Auslöseleistung zur Trennung der Schaltkontakte nur der tatsächlich zur Erde abfließende Fehlerstrom zur Verfügung. In der IEC 755 ist der netzspannungsunabhängige Fehlerstrom­ schutzschalter daher auch als Fehlerstromschutzeinrichtung ohne Hilfsenergiequelle definiert. An solche Fehlerstrom­ schutzschalter werden hohe Anforderungen gestellt, da ein un­ günstiges Verhältnis zwischen der durch den Fehlerstrom be­ stimmten geringen Auslöseleistung von ca. 50-100 µVA und dem zur Trennung der Schaltkontakte benötigten Arbeitsaufwand be­ steht.

In stationären Anlagen wird daher aus Betriebssicherheitsgrün­ den für die Auslösung das Haltemagnetprinzip angewandt, d. h. ein Permanent-Magnetrelais wird durch den Fehlerstrom entregt, dessen Anker fällt ab, ein zugeordnetes Schaltschloß wird ent­ klinkt und damit die in den gefährdeten Stromkreisen gelegenen Schaltkontakte geöffnet.

Ein solcher Fehlerstromschutzschalter ist beispielsweise aus der DE 43 22 845 A1 bekannt. Dabei führt der zur Erde abfließende Fehlerstrom zu einem Ungleich­ gewicht der in den Speiseleitungen durch einen Summenstrom­ wandler zu- und abfließenden Ströme. Durch die entstehende Stromdifferenz wird in der Sekundärwicklung des Summenstrom­ wandlers eine Spannung induziert und ein Haltemagnetrelais ausgelöst.

Von der zuverlässigen Funktion des Fehlerstromschutzschalters sind Menschenleben und die Sicherheit von Sachwerten abhängig, so daß ihre Arbeitsweise regelmäßig durch eine dafür vorgese­ hene Prüfeinrichtung getestet werden mußte. Daher ist bei den herkömmlichen Schutzschaltern ein Prüfstromkreis, bestehend aus einem Prüfwiderstand und einem Tastkontakt, vorgesehen, der bei Betätigen des zugeordneten Tasters einen künstlichen Fehlerstrom außerhalb des Summenstromwandlers vorbei fließen läßt, so daß eine Auslösung erfolgt. Obwohl diese Vorschriften zur Testung von Fehlerstromschutzschaltern seit einigen Jahr­ zehnten angewendet werden, wurde bei groß angelegten Feldver­ suchen immer wieder festgestellt, daß Fehlerstromschutzschal­ ter ihre Schutzfunktion nicht erfüllen, weil mechanische Bau­ teile versagen, das empfindliche Relais verschmutzt oder die Schaltkontakte verschweißt sind. Zur Beseitigung dieses Man­ gels wurde beispielsweise vorgeschlagen, mehrere Fehlerstrom­ schutzschalter hintereinander zu schalten, oder es wurden auf­ wendige Prüfeinrichtungen entwickelt, die den Schutzschalter automatisch und regelmäßig abschalten. Alle diese Maßnahmen waren jedoch im Ergebnis unzureichend, da sie jeweils nur Teilbereiche des Schaltgerätes abdeckten. Das Hintereinander­ schalten von mehreren Fehlerstromschutzschaltern ist, nur um eine Redundanz ihrer Schutzfunktion zu erreichen, aufwendig, vervielfacht die Verlustleistung und reduziert zudem die Be­ triebssicherheit. Ein automatisierter Testvorgang über die Prüfeinrichtung hat wiederum zur Folge, daß durch die willkür­ liche Stromabschaltung Betriebsstörungen nicht zu vermeiden sind. Das Betätigen der Prüfeinrichtung ist beispielsweise deswegen unkomfortabel, weil nach erfolgter Abschaltung und Wiederinbetriebnahme sämtliche angeschlossenen Uhren und ande­ re elektronische Verbraucher neu programmiert werden müssen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Fehlerstrom­ schutzschalter zu schaffen, der die oben genannten Probleme vermeidet und der, falls die konventionelle Abschaltung ver­ sagt, eine Sicherheitsabschaltung vornimmt.

Diese Aufgabe wird bei dem Fehlerstromschutzschalter durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß zusätzlich zu der konventionellen FI-Schaltertechnik, die aus Summen­ stromwandler, Haltemagnetrelais, Schaltschloß und Schaltkon­ takten besteht, ein fabrikseitig vorgespannter, netzspannungs­ abhängiger Kraftspeicher vorgesehen ist, d. h. ein Kraftspei­ cher, in dem fabrikseitig mechanische Energie, beispielsweise durch Vorspannung eines Federwerks gespeichert wird und der eine Sicherheitsabschaltung vornimmt, wenn die konventionelle Abschaltung versagt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform öffnet während der Sicherheitsabschaltung der netzspannungsabhängige Kraftspei­ cher direkt oder über ein Schaltschloß die Schaltkontakte des Fehlerstromschutzschalters immer dann, wenn die eigentlich dafür vorgesehenen Einrichtungen versagen.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevor­ zugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fehlerstrom­ schutzschalters zur Erläuterung weiterer erfindungswesentli­ cher Merkmale und Vorteile beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Fehlerstromschutzschalters mit einem netzspan­ nungsabhängigen Kraftspeicher zur Sicherheitsab­ schaltung; und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters mit einem separaten Schaltschloß für die Sicherheitsabschaltung.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fehler­ stromschutzschalters sowie Speiseleitungen 1, 2 zur Versorgung eines mit 11 bezeichneten Verbraucherkreises. Die Speiselei­ tungen 1, 2 sind durch einen Summenstromwandler 3 geführt, der den zugehörigen Verbraucherstromkreis 11 überwacht. Der Sum­ menstromwandler 3 erfaßt über eine Primärwicklung ein Un­ gleichgewicht der auf den Speiseleitungen 1, 2 zu- und abflie­ ßenden Ströme, die durch einen zur Erde abfließenden Fehler­ strom hervorgerufen werden. Eine Sekundärwicklung 4 des Sum­ menstromwandlers 3 ist über Leitungen 5 und 6 mit einem Halte­ magnetrelais 7 verbunden. Wird durch einen Fehlerstrom eine ausreichend hohe Spannung in der Sekundärwicklung 4 des Sum­ menstromwandlers 3 induziert, wird das Haltemagnetrelais 7 ausgelöst und entklinkt ein zugeordnetes Schaltschloß 8, wel­ ches in den Speiseleitungen 1, 2 befindliche Schaltkontakte 9 und 10 öffnet. Über Zuleitungen 5a, 6a ist ein netzspannungs­ abhängiger Kraftspeicher 12 ebenfalls an die Leitungen 5, 6 zur Erfassung eines Fehlerstromes angeschlossen.

Der netzspannungsabhängiger Kraftspeicher 12 ist ferner über Leitungen 13, 14 an den vor und hinter dem ersten Schaltkon­ takt 9 liegende Anschlüsse 13a, 14a auf der ersten Speiselei­ tung 1 und über Leitungen 15, 16 an vor und hinter dem zwei­ ten Schaltkontakt 10 liegende Anschlüsse 15a, 16a auf der zweiten Speiseleitung 2 angeschlossen. Eine in dem Kraftspei­ cher 12 vorgesehene Erfassungselektronik 12a erfaßt über die Leitungen 13, 14, bzw. 15, 16 die Schaltzustände der Schalt­ kontakte 9, bzw. 10. Dadurch erfaßt die Erfassungselektronik 12a den Spannungsabfall über die Schaltkontakte 9, 10 und er­ kennt, ob die Schaltkontakte 9, 10 geschlossen oder geöffnet sind.

Bei einem geringen, gegen Null gehenden Spannungsabfall zwi­ schen den Leitungen 13, 14 bzw. 15, 16 sind die Schaltkontakte 9 bzw. 10 geschlossen, während sie bei hohem Spannungsabfall hochohmig bzw. geöffnet sind.

Erkennt die Erfassungselektronik 12a des Kraftspeichers 12, daß die zwischen den Leitungen 13, 14 bzw. 15, 16 gelegenen Schaltstrecken nach einer vorbestimmten Zeitdauer Δt, welche durch eine Zeitgebervorrichtung 12b festgelegt ist, nicht hochohmig sind, obwohl ein Fehlerstrom in ausreichender Größe ansteht, dann entscheidet sie, daß eine Störung in der Funk­ tionskette Summenstromwandler 3, Haltemagnetrelais 7, Schalt­ schloß 8 und Schaltkontakte 9, 10 vorliegt und entklinkt über eine Ausgangsschaltung 12c den Kraftspeicher 12. Dieser Kraft­ speicher 12 öffnet dann direkt oder gemäß der Zeichnung über das Schaltschloß 8 die Schaltkontakte 9, 10. Der Kraftspeicher 12 öffnet die Schaltkontakte 9, 10 gewaltsam, d. h. er verfügt über genügend mechanische Kraft, die Schaltkontakte 9, 10 selbst dann zu öffnen, wenn diese verschweißt oder aus einem sonstigen Grund schwer zu öffnen sind. Diese Sicherheitsab­ schaltung durch den Kraftspeicher 12 stellt somit ein perfek­ tes fail-safe-System dar. Der Antrieb für den Kraftspeicher 12 kann vorzugsweise entweder durch ein vorgespanntes starkes Federwerk oder durch einen Treibsatz erfolgen. Jede Vorrich­ tung, die genügend mechanische Kraft zur sicheren Öffnung der Schaltkontakte 9, 10 aufbringt, ist für diesen Zweck geeignet. Der Kraftspeicher kann beispielsweise auch als Elektromagnet ausgebildet sein.

Bei einer Ausführungsform ist der Kraftspeicher 12 mechanisch mit dem Haltemagnetrelais 7 verbunden und erfaßt, ob das Hal­ temagnetrelais 7 durch einen Fehlerstrom ausgelöst wurde. Wird dann durch die Erfassungselektronik 12a des Kraftspeichers 12 festgestellt, daß die Schaltkontakte 9, 10 nach einer bestimm­ ten Zeit nicht geöffnet sind, liegt ein Versagen des Schalt­ schlosses 8 vor und es erfolgt die Sicherheitsabschaltung durch den Kraftspeicher 12.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird eine weitere Ausführungsform erläutert. Gegenüber Fig. 1 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals detailliert beschrieben. Der Kraftspeicher 12 ist an ein zusätzliches Schaltschloß 8b angeschlossen, über welches eine Sicherheits­ abschaltung zugeordneter zusätzlicher Schaltkontakte 9b, 10b in den Leitungen 1, 2 in dem Fall erfolgt, daß die normale Abschaltung über das Haltemagnetrelais 7, das Schaltschloß 8a sowie die Schaltkontakte 9a, 10a versagt. Die Schaltkontakte 9b, 10b sind in Serie zu den Schaltkontakten 9a, 10a in die Speiseleitungen 1, 2 geschaltet. Die in Fig. 2 gezeigte Aus­ führungsform besitzt im Vergleich zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform den Vorteil, daß die Sicherheitsabschaltung auch dann erfolgt, wenn das Schaltschloß 8a versagt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist das an das Haltemagnetrelais 7 ange­ schlossene Schaltschloß 8a von dem Kraftspeicher 12 getrennt.

Die beiden Schaltschlösser 8a, 8b können mechanisch bei einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform so gekoppelt sein, daß sie auf ein einziges Paar an Schaltkontakten 9, 10 wirken. In diesem Fall öffnet das Schaltschloß 8a bei der gewöhnlichen Abschaltung die Schaltkontakte 9, 10 derart, daß sie wieder einschaltbar sind, wohingegen bei der Sicherheitsabschaltung die Schaltkontakte 9, 10 durch das Schaltschloß 8b so geöffnet werden, daß sie nicht mehr geschlossen werden können.

Der Kraftspeicher 12 ist bei allen Ausführungsformen derart ausgelegt, daß die Schaltkontakte 9, 10 bzw. 9b, 10b nach ih­ rer gewaltsamen Öffnung nicht mehr geschlossen werden können. Der Fehlerstromschutzschalter muß dann ausgewechselt werden. Dies ist durchaus zweckmäßig, da ein Schutzschalter, dessen Funktionskette zwischen Summenstromwandler und Schaltkontakten einmal versagt hat und bei dem eine Sicherheitsabschaltung notwendig wurde, sowieso ausgewechselt werden sollte.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Kraftspeicher 12 zusätzlich mit einer Anzeigevorrichtung versehen, die nach erfolgter Sicherheitsabschaltung anzeigt, daß keine gewöhnli­ che Abschaltung, sondern eine Sicherheitsabschaltung erfolgt ist und daß der Fehlerstromschutzschalter ausgewechselt werden muß. Dadurch wird verhindert, daß eine Bedienperson bei einem derart defekten Fehlerstromschutzschalter vergeblich versucht, die Schaltkontakte 9, 10 wieder zu schließen, obwohl der Kraftspeicher 12 derart ausgelegt ist, daß nach erfolgter Sicherheitsabschaltung ein Einschalten der Schaltkontakte 9, 10 mit Sicherheit nicht möglich ist. Die Bedienperson wird vielmehr durch die Anzeigevorrichtung darauf hingewiesen, daß der fehlerhafte Fehlerstromschutzschalter auszuwechseln ist.

Der Fehlerstromschutzschalter mit Kraftspeicher 12 gemäß der Erfindung vermeidet die Nachteile, die durch eine Prüfung mit­ tels einer Testeinrichtung entstehen. Bei einer weiteren Aus­ führungsform wird auf eine solche Testeinrichtung verzichtet, da durch die Sicherheitsabschaltung im Fehlerfall immer die Schaltkontakte 9, 10 geöffnet werden. Eine Prüf- bzw. Testein­ richtung zur Prüfung der Funktionsfähigkeit der Funktionskette Summenstromwandler 3, Haltemagnetrelais 7, Schaltschloß 8 so­ wie Schaltkontakte 9, 10 kann aber wahlweise zusätzlich zu dem Kraftspeicher 12 vorgesehen sein. Über einen Prüfstromkreis, bestehend aus einem Prüfwiderstand und einem Tastkontakt wird bei Betätigen eines zugeordneten Tasters ein künstlicher Feh­ lerstrom erzeugt, welcher bei einem fehlerfreien Fehlerschutz­ schalter über die Funktionskette Summenstromwandler 3, Halte­ magnetrelais 7, Schaltschloß 8 zu einer Öffnung der Schaltkon­ takte 9, 10 führt. Bei einer defekten Funktionskette führt das Schließen des Prüfstromkreises hingegen zu einer Sicherheits­ abschaltung durch den Kraftspeicher 12.

Claims (15)

1. Fehlerstromschutzschalter mit einem Summenstromwandler (3) zur Erfassung eines Fehlerstromes in Speiseleitungen (1, 2) eines Verbraucherstromkreises (11),
einem Haltemagnetrelais (7), das an den Summenstromwand­ ler (3) angeschlossen ist, sowie mit
einer mit dem Haltemagnetrelais (7) verbundenen Schalt­ einrichtung (8, 8a), die mit in den Speiseleitungen (1, 2) liegenden Schaltkontakten (9, 10; 9a, 10a) mechanisch gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Kraftspeicher (12) zum Öffnen der Schaltkontakte (9, 10; 9b, 10b) vorgesehen ist.

2. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kraftspeicher (12) und den Schaltkontakten (9, 10) eine Schalteinrichtung (8) vorgesehen ist.

3. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher (12) eine Erfassungseinrichtung (12a) aufweist, welche feststellt, ob die Schaltkontakte (9, 10) geöffnet oder geschlossen sind.

4. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (12a) den Spannungsabfall über den Schaltkontakten (9, 10) erfaßt.

5. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher (12) eine Einrichtung (12a) zum Erfas­ sen eines Fehlerstromes (1) aufweist.

6. Fehlerstromschutzschalter nach wenigstens einem der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher (12) die Schaltkontakte (9, 10) öffnet, wenn die Erfassungselektronik (12a) des Kraftspeichers (12) feststellt, daß ein vorbestimmter Fehlerstrom fließt und die Schaltkontakte (9, 10) geschlossen sind.

7. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher (12) elektrisch parallel zu den Schalt­ kontakten (9, 10) geschaltet ist.

8. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher (12) die Schaltkontakte (9, 10) nach einer vorbestimmten Zeitdauer öffnet.

9. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher (12) ein vorgespanntes Federwerk auf­ weist.

10. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher (12) einen Treibsatz aufweist.

11. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher (12) einen Elektromagneten aufweist.

12. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher (12) mechanisch über eine zusätzliche Schalteinrichtung (8b) mit den Schaltkontakten (9b, 10b) verbunden ist.

13. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Anzeigevorrichtung aufweist, welche anzeigt, daß die Schaltkontakte (9b, 10b; 9, 10) durch den Kraftspei­ cher (12) geöffnet sind.

14. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher (12) eine Zeitgeberschaltung (12b) ent­ hält, durch welche die Zeitdauer zwischen dem Erfassen des Fehlerstromes und dem Öffnen der Schaltkontakte (9b, 10b; 9, 10) eingestellt ist.

15. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der zusätzlichen Schalteinrichtung (8b) verbunde­ nen Schaltkontakte (9b, 10b) jeweils in Serie zu den Schaltkontakten (9a, 10a) geschaltet sind, welche mecha­ nisch an das durch das Haltemagnetrelais (7) gesteuerte Schaltschloß (8a) gekoppelt sind.