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"Fehlerstromschutzschaltung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Fehlerstromschutzschaltung mit
einem Summenstromwandler, dessen Primärwicklung von den Hauptleitern eines Wechsel-
oder Drehstrcmnetzes gebildet und dessen Sekundärwicklung mit einem Auslöser verbunden
ist und weicher eine Hilfswickung aufweist, die mit einem Generator zur Erzeuglmg
einer Uec}lselstrcm-Vormagnetisierung des Summenstromwandlers verbunden ist, wobei
die Sekundärwicklung mit einen Gleichrichter verbunden ist.
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Nach den heutigen Vorschriften wird bei vielen elektrischen Installationen
gefordert, daß die Ströme, die von einem Verbraucher direkt zur Erde abfließen oder
einen anderen Rückweg als über einen Außen- oder den Mittelpunktsleiter nehmen,
eine bestimmte Schwelle nicht überschreiten dürfen, da sonst ein Mensch oder Tier
gefährdet werden kann. Diese Schwelle liegt im Bereich von einigen Milliampere.
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Zur Erfassung solcher Fehlerströme ist es im Falle von Fehlerwechselströmen
bekanntgeworden, die Außenleiter und den Mittelpunktsleiter durch einen Summenstromwandler
hindurchzuführen, Da in jedem Augenblick die Summe aller Ströme gleich Null ist,
die den Summenstromwandler durchsetzen, wird im Kern des Wandlers kein magnetischer
Fluß induziert, so daß an der Sekundärwicklung des Wandlers auch keine Spannung
induziert werden kann. Tritt nun ein Fehlerstrom auf, so ist die Summe
aller
Ströme, die den Wandler durchsetzen, ungleich Null und es tritt in der Sekundärwicklung
des Wandlers eine Spannung bzw. ein Strom auf, mit dem, eventuell nach entsprechender
Verstärkung, ein Auslöser für einen Schutzschalter betätigt werden kann (DAS 1 082
337). In diesem Falle arbeitet der Summenstromwandler als Transformator. Für die
Erfassung von Fehlergleichströmen sind solche Systeme nur wenig geeignet.
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Es ist weiterhin eine Fehlerstronschutzschaltung bekanntgeworden (DAS
1 904 394), mit der zusätzlich auch Gleichfehlerströme erfaßt werden können. Dabei
wird auf einen Summenstromwandler eine Vormagnetisierungswickung aufgebraucht, welche
aus über einer Sekundärwicklung einer Hilfsspannung gespeist ist. Am Summenstromwandler
wird/ eine Sekundärspannung abgenommen und deren Änderung infolge von Fehlerströmen
durch ein Auswertegerät ausgewertet. Dabei befindet sich parallel zu der Sekundärwicklung,
an welcher die Sekundärspannung abgenommen werden kann, ein Gleichrichter, dessen
Gleichstromausgang auf das Auswertegerät geschaltet ist.
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Es ist allerdings festzustellen, daß die angegebene Schaltung bei
verschiedenen Fehlerstromarten verschiedene Arten von Signalen abgibt, nämlich bei
Fehlergleichstrom eine kleinere, bei Fehlerwechselstrom eine höhere Ausgangsspannung.
Das angeschlossene Auswertegerät wurde daher kompliziert, weil es zwei Schwellwerte
erhalten mußte. Wegen dieses besonderen Auswertegerätes ist die Fehlerstromschutzschaltung
gemäß der DAS 1 904 394 nicht realisiert worden. Der Vormagnetisierungsstrom schwingt
offensichtlich mit einer Frequenz von 50 Hz, da der Vormagnetisierungsstrom direkt
dem Netz entnommen ist. Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, daß eine Wechselstrom-Fehlerstrom-Erfassung
nur in einer ganz bestimmten Phasenlage korrekt erfolgt. Für Mehrphasenstrom ist
diese Einrichtung nicht geeignet.
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In der zu der genannten DAS 1 904 394 zugehörigen Zusatzanmeldung
(OS 21 06 878) ~ ist vorgeschlagen worden, zwei Surnmenstromwandler mit je einer
Meßwicklung und je einer
Vormagnetisierungswicklung vorzusehen,
wobei die beiden Vormagnetisierungswicklungen der beiden Wandler gegensinnig und
die Meßwicklungen der beiden Wandler gleichsinnig in Reihe geschaltet sind und der
Auslöser von beiden Meßwicklungen angesteuert ist. Eine ähnliche Schaltung ist durch
die DAS 1 905 505 bekanntgeworden, bei welcher auch eine Vormagnetisierung mit einem
besonderen Generator und einer von der Netzfrequenz abweichenden Frequenz vorgeschlagen
wird. Dabei ist die Vormagnetisierungsfrequenz beispielsweise mehrere Male so hoch
wie die Netzfrequenz. Allerdings wird gemäß der 1 905 505 DAS/und der OS 2 106 878
offensichtlich bereits durch die Vormagnetisierung die für den Auslöser benötigte
Energie geliefert. Daher läßt sich die angegebene Schaltung auch nicht für verschiedene
Arten von Fehlerströmen mit annähernd gleicher Empfindlichkeit verwirkl i ch en
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Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Stromdurchflutungserfassung
mit einem stromdurchflossenen Summenstromwandler und mindestens einer mit dem Summenstromwandler
verketteten Stromschleife vorgeschlagen worden (Patent-Anmeldung P 25 13 653.2).
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Dabei ist der Summenstromwandler in einen Oszillator integriert, der
mit gegen 50 Hz sehr großer Frequenz schwingt und dessen Frequenz durch Fehlerströme
gesteuert wird, wobei die Frequenzänderung über Bandfilter zur Auslösung benutzt
wird.
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Zunächst muß bei dieser Einrichtung dafür gesorgt werden, daß die
Konstanz des Oszillators sehr hoch ist, da jede unbeabsichtigte Frequenzänderung
die Empfindlichkeitsgrenze verändert. Diese Konstanthaltung des Oszillators ist
mit verhältnismäßig großem Aufwand verbunden. Darüber hinaus müssen infolge der
gespeicherten Energie immer gewisse Schaltzeiten in Kauf genommen werden, so daß
die Erfassung von Fehlerstromimpulsen mit z.B. nur einer Milisekunde Dauer mit Schwierigkeiten
verbunden ist. Insgesamt erscheint der Aufwand verhältnismäßig hoch.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fehlerstromschutzschaltung mit
geringem Aufwand und relativ geringen Mitteln zu schaffen, bei der nicht nur Wechselfehlerströme,
sondern auch Gleichfehlerströme jeder Art und Impuls-Gleichfehlerströme mit hoher
Konstanz und etwa gleicher Empfindlichkeit erfaßt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dle Frequenz
der Wechselstron-Vormagnetisierung groß ist gegenüber 1 der Netzfrequenz, daß parallel
zu dem Gleichrichter ein R-C-Glied, dessen Zeitkonstante etwa der Periodendauer
der Vormagnetisierungsschwingung entspricht, angeordnet ist, und daß parallel zu
dem R-C-Glied eine Diskriminatorschaltung angeschlossen ist, welche bei Absinken
der Spannung am R-C-Glied unter einen Grenzwert, d.h. bei Auftreten eines Gleich-,
Wechsel- bzw. StoßfehlerstromesXeinen Auslöseimpuls abgibt.
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Der Grundgedanke des Vorschlags ist eigentlich der, den Summenstromwandler
als Signalübertrager zu benutzen, ein Signal zu wählen, das genügend kurze Prüfimpulse
ermöglicht, beispielsweise 1000 Hz, den Effekt zu benutzen, daß jede Art von Fehlerströmen
(auch als Impuls) das übertragene Signal wenigstens kurzzeitig verkleinert und nun
durch eine Diskriminatorschaltung jedes - auch kurze - Absinken dieser Signalspannung
zur Anzeige bzw. Auslösung zu benutzen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Anhand der Zeichnung sollen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert werden.
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Es zeigt: Fig. 1-) zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fig.
2 ) Fehlerstromschutzschaltung, Fig. 3 eine Diskriminatorschaltung für die Fehlerstromschutzschaltung
gemäß
den Figuren 1 und 2 und Fig. 4 Kurvendarstellungen der Spannung am R-C-Glied bei
einer Fehlerstromschutzschaltung mit dem Diskriminator gemäß Fig. 3, für verschiedene
Zustände.
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Eine Fehlerstromschutzschaltung gemäß der Figur 1 besitzt einen Summenstromwandler
1, dessen Primärwicklung durch die Leiter 2 und 3 eines Wechselstromnetzes gebildet
sind. In diese Leiter 2 und 3 ist eine Auslöseeinrichtung 4 eingeschaltet, welche
aus Trennkontakten 5, einem Schaltwerk 6 und einem Auslösemagneten 7 besteht. Der
Summenstromwandler 1 besitzt eine erste Hilfawicklung 8, auch Vormagnetisierungswicklung
8 genannt, welche mit einem Frequenzgenerator 9 verbunden ist, welcher seine Energie
aus dem Netz, d.h. von den Leitern 2 und 3 über elektrische Leitungen 10 bezieht.
Weiterhin besitzt der Summenstromwandler 1 eine Sekundärwicklung 71, welche auf
die Eingangsklemmen 12 und 13 eines Auswertegerätes 14 geschaltet ist. Das Auswertegerät
14 bezieht seine Energie über Leitungen 15 ebenfalls von den Leitern 2 und 3. Die
Ausgangsklemmen des Auswertegerätes 14, welche mit den Bezugsziffern 16 und 17 bezeichnet
sind, sind mit dem Auslösemagneten 7 direkt verbunden.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung wird nun anhand der Figur 3, welche
der Ausführung gemäß der Figur 1 in detaillierterer Form entspricht, näher erläutert.
Der Frequenzgenerator 9 erzeugt zeugt eine Frequenz, die ein Mehrfaches von 50 Hz
ist, beispielsweise 1000 Hz. über die Hilfswicklung 8 wird im Summenstromwandler
1 eine 1000 Hz-Wechselvormagnetisierung erzeugt. Diese Magnetisierung ist so groß
gewählt, daß wenigstens der lineare Bereich von Induktion und Feldstärke des Summenstromwandlers
1 vollständig ausgesteuert wird; benutzt man einen Kern aus einem hochpermeablen
Eisen-Nickel-Werkstoff, dann wird auf etwa 3000 Gauß ausgesteuert, wobei man etwa
20 Milliampere pro cm Eisenweg benötigt.. Die Sekundär wicklung 11 besitzt nunmehr
eine Windungszahl, die so hoch ist, dß sich infolge der Wechselstromvormagnetisierung
des Summenstromwandlers
1 mit 1000Hz eine Wechselpannung von einigen
Volt ergibt, z.B. 100 Windungen. An die Sekundärwicklung 11 ist ein Zweiweggleichrichter
32 geschaltet, welcher aus vier entsprechend einer Graetzschaltung geschalteten
Dioden besteht.
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Die in der Sekundärwicklung 11 erzeugt Wechselspannung wird in de
Gleichrichter 32 glench-gerichtet, so daß am Gleichrichteiausgang eine positive
Halbwellenspannung ansteht. Parallel zu dem Gleichstromausgang des Gleichrichters
ist ein R-C-Glied 33 geschaltet, dessen Zeitkonstante klein ist gegen die Periodendauer
des Netzwechselstromes, jedoch andererseits so groß, daß die Spannung zwischen den
ilalbwellen der 2;300 Hz-Spannung nicht auf einen kleinen Bruchteil absinkt. Die
Zeitkonstante dieses R-C-Gliedes 33, dessen Kondensator 33a und Widerstand 33b parallel
geschaltet sind, beträgt beispielsweise 1 ins, wobei C = 0,02 µF, R = 25 kn. Die
Spannung am R-C-Glled 33 wird an den Eingang eins kleinen elektronischen Verstärkers
angelegt, welcher in der Figur 3 mit der Ziffer 34 bezeichnet und an dessen Ausgang
der Magnetauslöser 7 geschaltet ist. Der Aufbau dieses Vertärkers 34 ist folgendermaßen:
Er besitzt einen Eingangstransistor 341, dessen Kollektor auf die Basis eines zweiten
Transistors 342 geschaltet ist wobei der Eingangstransistor 341 in Emitterschaltung
arbeitet; der Emitter des Transistors 341 ist auf denEmitter des Transitors 342
geschaltet.
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Der Kollektor des Transistors 341 ist an die Betriebsspalmung | UB
(= 24 V) gelegt, wobei in dieser Richtung ein Ableitwiderstand 343 eingefügt ist.
Der Kollektor des Transistors 342 ist ebenfalls an die Betriebsspannung UB angeschlossen,
wobei sich in dessen Leitung ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen 344 nd 345
befindet. Die Basis des Transistors 341 und der | Kollecktor des Transistors 342
sind über einen Widerstand 346 und einen Kondensator 347 miteinander verbunden,
damit auch bei 1 kurzem Absinken der Eingangspannung durch Rückkopplung ein genügend
langer Stromimpuls auf den Magnetauslöser 7 gegeben wird. Zwischen den beiden Widerständen
344 und 345 ist die Basis eines Ausgangstransistors 348 geschaltet, dessen Emitter
mit der Betriebsspannung U verbunden ist und in dessen Kollektor über einen Ableitwiderstand
349 an den Auslösemagneten
7 geschaltet ist. Der andere Pol des
Verbrauchers, d.h. des Auslösemagneten 7 liegt an der Masseleitung 35. Die Wirkungsweise
dieses Verstärkers ist folgende: Solange die Eingangsspannung, d.h. die gleichgerichtete
und durch das R-C-Glied 33 belastete Spannung zwischen den Klemmen 3410 und 3411
über einem bestimmten Grenzwert X liegt, wird am Ausgang, d.h. am Auslöser 7, kein
Strom abgegeben. Sinkt die Eingangsspannung unter den Grenzwert X und sei es auch
nur kurzzeitig, so gibt der Verstärker einen Stromimpuls über den Magnetauslöser
2b, der zur Auslösung desselben ausreicht, der mindestens ca. 10 Milli Sek., beispielsweise
auch länger, z.B. 1 Sekunde anh?lt. Solange also kein Fehlerstrom auftritt, liegt
am R-C-Glied 33 eine mit 2000 Hz pulsierende Gleichspannung ausreichender Höhe über
dem Grenzwert X (siehe Fig. 4, bei der diese Spannung über der Zeit T aufgetragen
ist, Fall A). Diese Spannung sorgt im Verstärker 34 dafür, daß der Ausgangstransistor
348 sperrt, so daß am Magnetauslöser 7 keine Spannung ansteht. Entsteht beispielsweise
ein Gleichstrom-Fehlerstrom, dann wird der Summenstromwandler 1 weiter entweder
in positiver oder in negativer Richtung in die Sättigung gesteuert, so daß die am
R-C-Glied 33 anstehende Spannung absinkt. Sinkt nun diese Spannung unterhalb einer
innerhalb des Verstärkers 34 gebildeten Referenzspannung X, auch Grenzwert X genannt,
ab, dann wird der Ausgangstransister 348 durchgesteuert; über den Auslösernagncten
7 fließt ein Auslösestrom (Fig. 4, Fall B).
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Tritt ein Wechselfehlerstrom auf, darin sinkt die 2000 Hz-Wechsel
spannung am R-C-Glied 33 nur während einiger Perioden der 20StIz Frequenz entsprechend
den Augenblickswerten des Fehlerstromes unter den Grenzwert X (Fall C, Fig. 4);
auch dann fließt über den Auslösemagneten 7 ein Spannungsimpuls, der zur Auslösung
ausreicht. uch bei kurzen Impulsen, wie sie beispielsweise bei Fehlerströmen in
Phasenanschnittsteuerungen auftreten, kommt es durch Abfall der Spannung am R-C-Glied
33 zum Ansprechen des Verst-irkers 34, wobei es davon abhängt, wie das R-C-Glied
33 dimensioniert ist. Unter Umständen kann durch entsprechende Dimensionierung des
R-C-Gliedes 33 und
des Verstärkers 34 eine Empfindlichkeit für
Impulse von 1 bis 2 Milli Sek. erreicht werden (Fall D der Fig. 4).
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Wie aus der Figur 3 zu ersehen ist, ist der Widerstand des R-C-Gliedes
33 als Potentiometer ausgebildet; er dient als Eingangspotentiometer, Einstellglied
und Basis-Emitterwiderstand für den Transistor 341.
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In der dargestellten Schaltung bekommet der Auslösemagnet 7 im Falle
eines Fehlerstromes einen Impuls. Die Schaltung kann selbverständlich auch in umgekehrter
Richtung arbeiten, so daß ein Ruhestromauslöser verwendet wird aund vom Verstärker
solange Strom über den Auslöser, d.h. den Auslösemagneten 7, geliefert wird, wie
kein Fehlerstrom fließt. Siie solche Schaltung hat den Vorteil, daß kein Zustand
auftreten kann, in dem durch Netzausfall oder Unterspannung kein Schutz vorhanden
ist. In einen solchen Fall lcst der Auslöser aus und trennt so die Anlage vom Netz
ab.
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Die Figur 2 zeit nun eine ähnliche Anordnung, wie die Fig. 1; der
einzige Unterschied besteht darin, daß auf den Summe | stromwandler 1 eine weitere
zweite Sekundärwicklung geschaltet ist, die parallel zum Auslösemagneten 7 liegt.
Diese Wicklung | hat die Bezugsziffer 21. Diese Zusatzwicklung 21 umgeht das Auswertegerät
14, so daß eine direkte Fehlerstromauslösung, wie bei herkömmlichen Schaltern, d.h.
ohne Elektronik erreicht wird. Diese Zusatzwicklung 21 sichert also einen Wechselstrom-Fehlerstromschutz
auch bei Neutzausfall. Der von der Elektronik gelieferte Auslöseimpuls teilt sich
allerdings auf, so daß | der gelieferte Strom um den Betrag, der über die Wandlerwicklung
fließt, erhöht werden muß. Damit dieser Wert klein wird, ist in dem Wicklungszweig
der Wicklung 21 ein Widerstand 22 geschaltet.
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Als Generator 9 kann jede Art eines Generators verwendet werden; es
ist jedoch günstig, daß dieser Generator annähernd eine Sinus-Frequenz abgibt.
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Die Speisung fiir den Verstarker, d.h. für das Auswertegerät 14 und
den Generator 9 kann in bekannter Weise mittels Transformator und Gleichrichter
oder auch durch Kondensator-Spannungsteilung und Gleichrichtung vorgenommen werden
(nicht gezeigt).
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Der Grundgedanke der Diskriminatorschaltung, wie sie in der Figur
1 bis 3 dargestellt ist, ist der, die übertragene 1000 Hz-Spannung gleichzurichten
und auf ein R-C-Glied mit einer Zeitkonstante zu geben, die etwa der Periodendauer
der Schwingung entspricht. Dadurch ergibt sich zwar ein Absinken der Spannung während
zweier Halbwellen; jedoch ist der untere Spannungswert bei Fehlen von Gleichströmen
immer genau definiert und sinkt ni@ unter diesen Wert ab. Jede Art von Fehlerstrom,
auch ein Impuls, wenn er nur etwa die Länge einer Halbwelle hat, stört über die
Magnetisierungskennlinie des Wandlers die Sekundärwicklung. Damit sinkt die Spannung
am R-C-Glied mindestens kurzzeitig ab. Der angeschaltete einfache elektronische
Verstärker, der Bezugsziffer 34 bezeichnet ist, ist, wie oben erwähnt, so ausgelegt,
daß er bei Unterschreiten eines Schwell- oder Grenzwertes X einen Stromstoß auf
den Auslösemagneten 7 abgibt.
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Der Generator kann vereinfacht auch so ausgebilden sein, daß er eine
verhältnismäßig geringe Frequenz auf die Vormagnetisierungswicklung gibt. Grundveraussetzung
ist allerdings, daß diese Generatorfrequenz von der Hetzfrequenz verschieden ist.
Vorteilhaft kann sie beispielsweise die dritte Oberwelle der Netzfrequenz (150 Hz)
aufweisen.