DE19944026A1 - Auslöser für eine Fehlerstrom-Schutzvorrichtung und Verfahren zum Betrieb eines Auslösers - Google Patents

Abstract

Um bei einem Auslöser (8) für eine Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (2) zu gewährleisten, dass nach jedem Auslösen der Schutzvorrichtung (2) der Anker (20) des Auslösers (8) jeweils wieder in einer identischen Position auf Polschenkeln (12) des Auslösers (8) zum Aufliegen kommt, ist ein Justageelement (36) vorgesehen. Dieses Justageelement (36) wirkt vorzugsweise berührungslos auf den Anker (20) ein und ist insbesondere als Dauermagnet ausgestaltet. Durch das Justageelement (36) wird insbesondere bei einem FI-Schalter die Streubreite der Auslöseschwelle reduziert, da der Auslöser (8) immer bei definierten Erregerströmen auslöst.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Auslöser für eine Feh­ lerstrom-Schutzvorrichtung, mit zumindest zwei Polschenkeln, mit einem die Polschenkel verbindenden Anker und mit einer um zumindest einen der Polschenkel gewickelten Erregerspule. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Auslösers einer Fehlerstrom-Schutzvorrichtung, bei dem im Auslösefall, wenn ein unzulässiger Fehlerstrom vom Schutz­ schalter erfaßt wird, eine Änderung im Erregerstrom einer Er­ regerspule das Ablösen eines Ankers von Polschenkeln bewirkt.

Die Fehlerstrom-Schutzvorrichtung wird in elektrischen Schaltkreisen zum Schutz gegen gefährliche Körperströme sowie als Brandschutzsicherung eingesetzt. Die Fehlerstrom-Schutz­ vorrichtung, im folgenden auch als Schutzschalter bezeichnet, umfaßt im Wesentlichen drei Baueinheiten, nämlich einen Sum­ menstromwandler, einen Auslöser und eine Schaltmechanik, die auch als Schaltschloß bezeichnet wird.

Durch den Summenstromwandler sind die Leiter eines Leiter­ netzes geführt. Bei Auftreten eines Fehlerstroms in dem Lei­ ternetz wird in einer um den Summenstromwandler gewickelten Sekundärspule eine Spannung induziert. Die Sekundärspule steht mit dem Auslöser in Verbindung. Aufgrund des von der Sekundärspule übermittelten Signals wirkt der Auslöser über eine mechanische Verbindung auf das Schaltschloß ein, welches die Leiter vom Netz nimmt. Die Betätigung des Schaltschlosses durch den Auslöser wird durch eine Änderung einer magneti­ schen Kraft hervorgerufen. Der Auslöser ist dabei beispiels­ weise als ein Magnetsystem ausgestaltet, das bei Auftreten eines Fehlerstroms über die Magnetkraft unmittelbar auf das Schaltschloß einwirkt. Alternativ ist der Auslöser als ein Haltemagnetsystem ausgebildet, bei dem im Normalzustand eine magnetische Haltekraft ausgeübt wird, welche einer Federkraft entgegenwirkt. Im Auslösefall, d. h. bei Vorliegen eines Feh­ lerstroms, wird die Haltekraft geschwächt und die Federkraft bewirkt ein Betätigen des Schaltschlosses. Da hierzu nur eine relativ geringe magnetische Energie notwendig ist, eignet sich das Haltemagnetsystem insbesondere für den sogenannten Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter), der netzspannungs­ unabhängig betrieben wird.

Ein nach diesem Haltemagnetprinzip aufgebauter Auslöser ist beispielsweise in dem Artikel "Fehlerstrom-Schutzschalter zum Schutz gegen gefährliche Körperströme", erschienen in etz, Band 110 (1989), Heft 12, Seiten 580 bis 584, beschrieben.

Bei den FI-Schutzschaltern sind die Anforderungen an die elektrischen, magnetischen und mechanischen Baugruppen des Haltemagnetsystems sehr hoch, um zu gewährleisten, dass der Schutzschalter bei definierten Auslösefehlerströmen zuver­ lässig und wiederholbar schaltet. Ein kritischer Punkt ist beispielsweise die Kontaktfläche zwischen dem Anker und den Polschenkeln. Es muß gewährleistet sein, dass der Anker nach jedem Schaltvorgang wieder in die gleiche Relativlage zu den Polschenkeln gebracht wird. Der Anker und die Pole des Pol­ schenkels sind daher äußerst eben, und der Luftspalt zwischen Anker und Polschenkel ist auf nur wenige Mikrometer begrenzt. Das Eindringen von Schmutz zwischen die Kontaktflächen des Ankers und der Polschenkel bewirkt nämlich beispielsweise ei­ ne Reduzierung der magnetischen Haltekraft, so dass bereits bei einem Fehlerstrom unterhalb der eingestellten Auslöse­ schwelle der Anker von den Polschenkeln gezogen wird. Der Schutzschalter löst also frühzeitig und ungewollt aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Auslöser und ein Verfahren zu seinem Betrieb anzugeben, bei denen eine gleichbleibende Relativlage zwischen Anker und Polschenkeln auch nach wiederholtem Auslösen des Schutzschalters gewähr­ leistet ist.

Zur Lösung der auf den Auslöser gerichteten Aufgabe weist dieser gemäß der Erfindung zwei Polschenkel, einen die Pol­ schenkel verbindenden Anker und eine zumindest um einen der Polschenkel gewickelte Erregerspule sowie ein Justageelement zur Justage des Ankers bezüglich der Polschenkel auf. Das Justageelement dient dabei insbesondere zur seitlichen Justa­ ge, d. h. zur Justage des Ankers parallel zu den Polflächen der Polschenkel.

Durch das Justageelement wird in vorteilhafter Weise gewähr­ leistet, dass die seitliche Ausrichtung des Ankers auf den Polschenkel stets gleich ist. Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung aus, dass der Anker nach einem Auslösen des Schutzschalters bei fehlendem Justageelement versetzt auf die Polflächen der Polschenkel aufgesetzt wird. Dieses versetzte Aufsetzen ist unvermeidlich und wird durch die Fertigungsto­ leranzen, die die einzelnen Bauteile des Auslösers aufweisen, hervorgerufen. Die Toleranzen führen beim Wiederanlegen des Ankers nach einem Auslösevorgang zu einer Streuung der Auf­ lageposition des Ankers um seine ursprüngliche Auflageposi­ tion. Diese Streuung bewirkt, dass die Haltekraft des Ma­ gneten und damit die Auslöseschwelle der Schutzvorrichtung variiert. Durch das Justageelement besteht die Möglichkeit, den Anker nach jedem Auslösevorgang wieder in die gleiche ur­ sprüngliche Lage zu bringen. Die Streuung wird also unter­ drückt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wirkt das Justageelement berührungslos mit dem Anker zusammen, um unnötige Reibungs­ verluste zwischen Anker und Justageelement zu verhindern.

Bevorzugt ist hierzu das Justageelement als Magnet und insbe­ sondere als Dauermagnet ausgebildet. Durch die Magnetkraft wird der Anker beim Wiederauflegen auf die Polflächen automa­ tisch und wiederholbar in die ursprüngliche Lage positio­ niert.

Um die langfristige Funktionsfähigkeit des Magneten zu ge­ währleisten, ist das Magnetmaterial derart beschaffen, dass eine Entmagnetisierung durch beispielsweise im Schutzschalter auftretende Ströme verhindert ist. Hierzu weist das Magnetma­ terial als ein wesentliches Bestandteil vorzugsweise ein Ele­ ment aus der Gruppe der Lanthanoide, also aus der Gruppe der seltenen Erden auf. Als seltene Erden werden die Elemente mit den Ordnungszahlen 21, 39 sowie 57 bis 71 bezeichnet.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung übt das Justa­ geelement eine Justagekraft aus, die zu einer außermittigen Justage des Ankers bezüglich der Polflächen führt. Der Anker wird also bewusst seitlich versetzt auf die Polflächen aufge­ setzt. Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, dass eine außermittige Justage zwar zu einem auf den Anker wirkenden Drehmoment führt, welches die magnetische Haltekraft schwächt. Da diese Schwächung jedoch wegen der identischen Positionierung gleichbleibend ist, kann die Schwächung ohne weiteres berücksichtigt werden. Der entscheidende Vorteil der außermittigen Justage ist darin zu sehen, dass die Justage hierbei wesentlich einfacher und damit kostengünstiger aus­ geführt werden kann als eine mittige Justage.

Zur Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe wird ge­ mäß der Erfindung der Auslöser derart betrieben, dass im Aus­ lösefall eine Änderung im Erregerstrom einer Erregerspule das Ablösen eines Ankers von Polschenkeln bewirkt, und dass der Anker während des Auflegens oder nach dem Auflegen auf die Polschenkel in seiner Lage bezüglich der Polschenkel justiert wird. Damit wird eine ausreichende Wiederholgenauigkeit bei der Lagepositionierung des Ankers erzielt. Ob die Justage während des Auflegens oder erst nach dem Auflegen des Ankers auf die Polschenkel erfolgt, ist für die genaue Lagepositio­ nierung zunächst nicht wesentlich. Bei Verwendung eines Hal­ temagnetsystems mit einem Dauermagneten wird jedoch der Anker nach dem Auflegen durch die Magnetkraft bereits auf den Pol­ schenkeln gehalten, so dass eine Justage bei aufliegendem An­ ker eine relativ hohe Krafteinwirkung erfordert. Daher ist die Justage während des Auflegens zu bevorzugen, da hierbei die von dem Haltemagneten ausgeübten Kräfte geringer sind, so dass die Justagekraft des Justageelements moderat ausfallen kann.

Die im Hinblick auf den Auslöser angeführten Vorteile und be­ vorzugten Ausführungen sind sinngemäß auf das Verfahren zu übertragen. Weitere vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind insbesondere den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden an­ hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen jeweils in verein­ fachter Darstellung:

Fig. 1 ein Prinzipschaubild einer Fehlerstrom-Schutzvor­ richtung,

Fig. 2 einen Auslöser in einer perspektivischen Darstel­ lung,

Fig. 3 den Auslöser in einer Seitenansicht mit mittig auf­ gesetztem Anker, und

Fig. 4 die Seitenansicht eines Auslösers mit außermittig aufgesetztem Anker und einem Justageelement.

In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß Fig. 1 umfasst eine Fehlerstrom-Schutzvorrichtung 2 ei­ nen Summenstromwandler 4, durch den die Leiter L1 bis L3, N (N für Nullleiter) eines Leiternetzes geführt sind. Um den Summenstromwandler 4 ist eine Sekundärspule 6 gewickelt, die mit einem Auslöser 8 in Verbindung steht. Der Auslöser 8 steht wiederum mit einem Schaltmechanismus 10 oder einem Schaltschloss in Verbindung. Dieses nimmt im Auslösefall, d. h. wenn durch den Summenstromwandler 4 ein unzulässiger Fehlerstrom fließt, die Leiter L1 bis L3, N vom Netz. Bei der dargestellten Fehlerstrom-Schutzvorrichtung 2 handelt es sich um einen sogenannten FI-Schutzschalter, der netzspannungs­ unabhängig arbeitet. Ein solcher FI-Schutzschalter entnimmt die zum Auslösen erforderliche Energie einzig aus der auf­ grund des Fehlerstroms in der Sekundärspule 6 induzierten Spannung. Im Gegensatz zu einem DI-Schutzschalter (Differenz­ strom-Schutzschalter), der netzspannungsunabhängig ist, also Energie aus dem Netz benötigt, steht dem FI-Schutzschalter nur eine sehr geringe Energiemenge zum Auslösen zur Verfü­ gung. Um ein sicheres und definiertes Auslösen der Schutzvor­ richtung 2 zu gewährleisten, müssen die einzelnen Bauteile des Schutzschalters 2 im Hinblick auf ihre elektrischen, ma­ gnetischen und mechanischen Eigenschaften sehr hohen Anforde­ rungen genügen. Da zudem die Energiemenge bei einem FI- Schutzschalter in der Regel nicht ausreichend ist, um den Schaltmechanismus 10 aktiv zu betätigen, weist der Auslöser 8 in der Regel ein Auslöserelais mit einem Haltemagnetsystem auf, wie es beispielsweise in den Fig. 2 bis Fig. 4 dargestellt ist.

Nach Fig. 2 umfasst das Haltemagnetsystem des Auslösers 8 zwei Polschenkel 12, zwischen denen ein Dauermagnet 14 angeordnet ist. Um den einen Polschenkel 12 ist eine Erregerspule 16 (Magnetspule) gelegt. Die Erregerspule 16 ist über ihre An­ schlüsse 18 mit der Sekundärspule 6 verbindbar. Die beiden Polschenkel 12 weisen an ihren dem Dauermagneten 14 abge­ wandten Enden Polflächen auf, auf denen ein Anker 20 auf­ liegt. An den Anker 20 ist über eine Klemmverbindung 22 ein auf einer Platte 24 befestigter Betätigungsstab 26 angeord­ net. Der Betätigungsstab 26 hat eine Ausnehmung 28, die für den Eingriff beispielsweise einer Feder (nicht dargestellt) ausgebildet ist, welche eine Federkraft in Auslöserichtung 30 auf den Anker 20 ausübt. Die Auslöserichtung 30 ist dabei von den Polschenkeln 12 weggerichtet. Der Auslöserichtung 30 ent­ gegengerichtet ist die Haltekraft in Halterichtung 32 des von dem Dauermagneten 14 hervorgerufenen magnetischen Feldes mit einem magnetischen Fluss Φ₀.

Sobald ein Fehlerstrom durch den Summenstromwandler 4 fließt, wird in der Sekundärspule 6 eine Spannung induziert, die zu einem Stromfluss durch die Erregerspule 16 führt. Diese ist dabei derart angeschlossen, dass der von der Erregerspule 16 erzeugte magnetische Erregerfluß Φ_E zu einer Schwächung des vom Dauermagneten 14 hervorgerufenen Magnetfeldes und somit zu einer Schwächung der Haltekraft auf den Anker 20 führt. Bei Überschreiten eines Auslösefehlerstroms ist die magne­ tische Haltewirkung so weit abgefallen, dass die Federkraft die Haltekraft übersteigt und somit der Anker 20 von den Pol­ schenkeln abgezogen wird. Der Betätigungshebel 26 verschiebt sich und wirkt auf den Schaltmechanismus 10 ein, welcher dann die Leiter L1 bis L3, N vom Netz nimmt. Sobald der Schalt­ mechanismus 10 zurückgesetzt wird, wird der Betätigungs­ stab 26 wieder in Richtung zu den Polschenkeln 12 hin bewegt, und der Anker 20 kommt zum Aufliegen auf den Polschenkeln 12. Bei einem Auslöser nach dem Stand der Technik setzt dabei der Anker 20 in der Regel, durch Fertigungstoleranzen bedingt, auf einer anderen Position auf den Polschenkeln 12 auf als der Anker 20 ursprünglich eingenommen hat. Bei wiederholtem Aufsetzen nach Auslösevorgängen tritt also eine Streuung um die ursprüngliche Lage auf. Damit variieren die geometrisch­ mechanischen Randbedingungen, so dass der Auslösefehlerstrom, ab dem die Schutzvorrichtung 2 auslöst, nicht fest definiert ist, sondern einer gewissen Streuung unterworfen ist.

Überlicherweise wird der Anker 20 mittig auf die beiden Pol­ schenkel 12 aufgesetzt, so dass er zu den beiden Polschen­ keln 12 jeweils gleich ausgerichtet ist, wie das Fig. 3 zu entnehmen ist. Liegt der Anker 20 außermittig auf, so führt dies zu einem Drehmoment in Richtung des Pfeils 34 wie es in der Fig. 4 dargestellt ist. Das Drehmoment schwächt die Halte­ wirkung des Dauermagneten, so dass die Schutzvorrichtung 2 im Vergleich zu einer mittigen Positionierung bei einem niedri­ geren Fehlerstrom ungewollt auslöst.

Um eine gleichbleibende, reversible Positionierung des An­ kers 20 auf den Polschenkeln 12 in genau der identischen, wiederkehrenden Position zu ermöglichen, ist gemäß Fig. 4 ein Justageelement 36 vorgesehen, über das auf den Anker 20 eine Justagekraft ausgeübt wird. Das Justageelement 36 ist seit­ lich zu dem Anker 20 angeordnet und beispielsweise an dem nicht dargestellten Gehäuse des Auslösers 8 geeignet be­ festigt.

Das Justageelement 36 übt auf den Anker 20 beispielsweise über eine (nicht dargestellte) mechanische Wirkverbindung ei­ ne Kraft aus, um den Anker 20 in eine vorbestimmte Lage zu führen. Hierzu sind beispielsweise Konstruktionselemente vor­ gesehen, die nach Art von Führungsschienen für den Anker 20 ausgebildet sind. Alternativ können auch Federelemente vor­ gesehen sein, die auf den Anker 20 eine Justagekraft ausüben. Hierzu sind vorzugsweise mehrere Federn einander gegenüber­ liegend angeordnet, um eine möglichst gute Justage zu erzie­ len.

Die mechanischen Justageelemente führen zu einer Reibung zwi­ schen den mechanischen Elementen und dem Anker 20. Diese durch die Reibung hervorgerufene zusätzliche Kraftkomponente muss bei der Auslegung der Schutzvorrichtung 2 berücksichtigt werden. Da die in dem Auslöserelais auftretenden Kräfte sehr fein aufeinander abgestimmt sind, ist dies mit hohem kon­ struktivem Aufwand verbunden.

Bevorzugt wird daher ein berührungslos arbeitendes Justage­ element 36 eingesetzt, welches das bestehende Kräfteverhält­ nis im Auslöser 8 nicht störend beeinflusst. Insbesondere wird als Justageelement 36 ein Dauermagnet eingesetzt. Für das Justageelement 36 ist keine Energie notwendig, was für den Einsatz in einem FI-Schutzschalter vorteilhaft ist. In einem Schutzschalter mit ausreichender Energieversorgung kann das Justageelement 36 auch als Elektromagnet ausgeführt sein, der beispielsweise nur dann aktiviert wird, wenn die Justage erforderlich ist, also beim Aufsetzen des Ankers 20 auf die Polschenkel 12 oder zumindest kurz nach dem Aufsetzen des An­ kers 20. Die Anordnung eines Justageelements 36 ist dabei nicht auf Auslöser 8 mit einem Haltemagnetsystem beschränkt.

Das Justageelement 36 übt also zusätzlich zu der von dem Dau­ ermagneten 14 ausgeübten Kraft auf den Anker 20 eine bevor­ zugt senkrecht zu der Haltekraft wirkende magnetische Kraft aus. Durch den Dauermagneten 14 und dem Justageelement 36 werden also zwei Magnet-Kraftfelder erzeugt, die sich einan­ der überlagern und so zu einem resultierenden Kraftfeld mit insbesondere gleichbleibender Stärke führen. Beim Aufsetzen bewegt sich der Anker 20 entlang der Kraftfeldlinien des re­ sultierenden Kraftfelds und kommt daher grundsätzlich an der identischen Position auf den Polschenkeln 12 zum Aufliegen. Der Anker 20 wird von den Kraftfeldlinien quasi geführt. Somit ist das wiederholte Aufsetzen des Ankers 20 an einer identischen Position gewährleistet.

Um eine möglichst einfache Justage zu ermöglichen, wird der Anker 20 vorzugsweise außermittig auf den Polschenkeln 12 po­ sitioniert (vgl. Fig. 4). Das führt zwar zu einer Reduzierung der auf den Anker 20 ausgeübten Haltekraft, dies kann jedoch bei der Endjustage bei der Fertigung der Schutzvorrichtung 2 berücksichtigt werden, so dass die Schutzvorrichtung 2 bei einem fest definierten Auslösefehlerstrom auslöst.

Um zu verhindern, dass der Dauermagnet des Justageelements 36 durch die in der Schutzvorrichtung 2 auftretenden Ströme im Laufe der Zeit entmagnetisiert wird, besteht der Dauermagnet vorzugsweise aus einem Magnetmaterial, welches von derartigen Strömen durch die Schutzvorrichtung 2 unbeeinflußt ist. Ins­ besondere weist das Magnetmaterial als wesentliches Bestand­ teil ein oder mehrere Elemente der sogenannten "seltenen Er­ den" (Lanthanoiden) auf. Der Dauermagnet ist bevorzugt als Vollmaterial ausgeführt. Alternativ weist er ein Joch oder eine ändere weichmagnetische Führung für die magnetischen Feldlinien auf. Unabhängig von der speziellen Ausgestaltung des Dauermagneten ist es wesentlich, dass er unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen im Hinblick auf seine Magnet­ kraftwirkung ist.

Claims (10)

1. Auslöser (8) für eine Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (2), mit zwei Polschenkeln (12), mit einem die Polschenkel (12) verbindenden Anker (20), und mit einer um zumindest einen der Polschenkel (12) gewickelten Erregerspule (16), da­ durch gekennzeichnet, dass ein Justageelement (36) zur Justage des Ankers (20) bezüglich der Polschenkel (12) vorgesehen ist.

2. Auslöser (8) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Justageele­ ment (36) berührungslos mit dem Anker (20) zusammenwirkt.

3. Auslöser (8) nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Justageele­ ment (36) als Magnet, insbesondere als Dauermagnet ausgebil­ det ist.

4. Auslöser (8) nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Magnetmaterial des Magneten derart beschaffen ist, dass eine Entmagnetisie­ rung insbesondere durch in der Schutzvorrichtung (2) auftre­ tende Ströme verhindert ist.

5. Auslöser (8) nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Magnetmaterial als ein wesentliches Bestandteil ein Element aus der Gruppe der Lanthanoide aufweist.

6. Auslöser (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Justageelement (36) zur außermittigen Justage des Ankers (20) bezüglich der Polschenkel (12) ausgebildet ist.

7. Fehlerstrom-Schutzvorrichtung (2) mit einem Auslöser (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

8. Verfahren zum Betrieb eines Auslösers (8) einer Fehler­ strom-Schutzvorrichtung (2), bei dem im Auslösefall, wenn ein unzulässiger Fehlerstrom von der Schutzvorrichtung (2) erfaßt wird, eine Änderung im Erregerstrom einer Erregerspule (16) das Ablösen eines Ankers (20) von Polschenkeln (12) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (20) beim oder nach dem Auflegen auf die Polschenkel (12) in seiner Lage bezüglich der Polschen­ kel (12) justiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Anker (20) berührungslos, insbesondere durch eine Magnetkraft, justiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (20) bezüglich der Polschenkel (12) außermittig justiert wird.