DE3642393A1 - Differenzstromschutzschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzstrom­ schutzschalter nach dem Prinzip der Transduktorschal­ tung, im einzelnen nach Gattungsbegriff von Patentan­ spruch 1. Die Sekundärwicklung ist mit einem komplexen, überwiegend kapazitiven Meßwiderstand in Serienschal­ tung an einen Rechteckgenerator angeschlossen. An einem Abgriff zwischen Sekundärwicklung und Meßwiderstand ist eine Auswerteschaltung angeschlossen, die über eine Aus­ löseeinrichtung und ein Schaltschloß eine Schaltkontakt­ vorrichtung betätigt.

Ein derartiger Differenzstrom­ schutzschalter ist bekannt (DE-A-34 24 959).

Bei einem derartigen Differenzstromschutzschalter wird die Sekundärseite einer Transduktorschaltung bzw. eines Summenstromwandlers durch eine angelegte hochfrequente Wechselspannung bis nahe an die Sättigungsgrenze wechsel­ magnetisiert. Wenn durch die Primärwicklung ein Diffe­ renzstrom fließt, wird im Summenstromwandler ein Magnet­ feld überlagert, das bei gleicher Richtung mit dem ange­ legten Feld die Sättigungsgrenze des Wandlers über­ schreitet, so daß der induktive Widerstand der Sekundär­ wicklung kleiner wird. In einem Meßwiderstand, der in Serienschaltung zur Sekundärwicklung angeordnet ist, steht dann vom Rechteckgenerator ein höheres Potential gegen Bezugspotential an. Dabei wird auch die Spannungs­ amplitude am Meßwiderstand größer, so daß in einer Aus­ werteschaltung diese mit einer eingestellten Schwell­ spannung verglichen werden kann und bei Überschreiten der Schwellspannung eine Auslöseeinrichtung zu aktivieren ist und die zu überwachenden Leitungen unterbrochen werden. Ein derartiger Differenzstromschutzschalter kann auf alle Arten von Fehlerströmen ansprechen, also außer auf Wechselströme auch auf Fehlerströme mit Gleichstrom­ komponenten und auf glatten Gleichstrom. Ein derartiger Differenzstromschutzschalter ist also für Allstrom sen­ sitiv.

Durch den komplexen, überwiegend kapazitiven Meßwider­ stand kann man in Abstimmung auf die Frequenz des Recht­ eckgenerators mit so wenigen Primärwicklungen auskommen, daß die Wärme vom Summenstromwandler leicht abgeführt werden kann, weshalb man mit wenig Platz auskommt und kleine Schutzschalter bauen kann (DE-A-34 24 959).

Bei derartigen empfindlichen Differenzstromschutzschal­ tern tritt das Problem auf, daß sie auch bei Stoßströmen bzw. Stoßspannungen zu Fehlauslösungen neigen. Um die Stoßstromfestigkeit zu erhöhen, ist es bekannt (DE-A-34 29 381), eine Spannungsbegrenzung und nachfolgende Inte­ gration vorzusehen. Man kommt so in der Praxis leicht zu einer Stoßstromfestigkeit zwischen 250 bis 500 A.

Bei empfindlichen Differenzstromschutzschaltern macht sich bemerkbar, daß sie phasenabhängig auslösen. Die sichere Abschaltung ist also von der Phasenlage abhängig, was um so störender empfunden wird, je empfindlicher der Schutz­ schalter ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Differenzstrom­ schutzschalter der geschilderten Art so zu verbessern, daß ihre Empfindlichkeit phasenunabhängig ist.

Die Lösung der geschilderten Aufgabe besteht bei einem Differenzstromschutzschalter nach der Erfindung darin, daß die Auswertschaltung mit einem gesteuerten Strom­ ventil arbeitet, dem im Steuerkreis ein monostabiler Multi­ vibrator vorgeschaltet ist, der den Zündimpuls auf eine Zeitdauer verlängert, die in etwa gleich der Perioden­ dauer der Netzfrequenz oder größer ist. Der Multivibra­ tor kann dabei die Funktion des Schwellwertschalters übernehmen oder mit einem vorgeschalteten Schwellwert­ schalter zusammenarbeiten, wobei in gewohnter Weise auch ein Integrierglied vorgeschaltet sein kann. Wesentlich ist, daß der Multivibrator so eingestellt werden kann, daß sein eines Schaltniveau so lange aufrechterhalten werden kann, daß der Zündimpuls für das Stromventil zu­ mindest in etwa gleich lang ansteht wie die Perioden­ dauer der Netzfrequenz. Dadurch wird sichergestellt, daß die Zündung des Stromventils von der Phasenlage, also von der Phasenverschiebung zwischen Differenzstrom und Netzspannung unabhängig wird.

Um auch bei sehr steilen Stoßspannungen und Schaltüber­ spannungen der Größenordnung von 2000 V/µs Fehlauslö­ sungen sicher zu vermeiden, ist nach einer Weiterbil­ dung vorgesehen, daß bei einem Thyristor als Stromven­ til diesem ein Hochpaßglied und ein Ableitungskonden­ sator gegen Bezugspotential nachgeschaltet ist und im Leitungszug ein Begrenzungswiderstand vor der Auslöse­ einrichtung nachgeschaltet ist. Hochpaßglied und Ablei­ tungskondensator lassen sich in gewohnter Weise darauf ein­ stellen, daß der Auslöseeinrichtung reguläre Auslöse­ signale zugeleitet werden, daß jedoch Signale infolge einer Stoßspannung abgeleitet und durch den Begrenzungs­ widerstand gedämpft werden. Der Weiterbildung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß derartige Stoßspannungen dazu führen können, daß der Thyristor auch ohne ein Signal an der Steuerelektrode zünden kann. Die hierbei am Aus­ gang abgegebenen Signale werden dann in der geschilder­ ten Beschaltung für die Auslöseeinrichtung unschädlich gemacht.

Nach einer anderen Weiterbildung wird als gesteuertes Stromventil ein Optotriac der handelsüblichen SIPMOS AC-Schalter des Typs SITAC (registrierte Warenzeichen) eingesetzt. Durch den Optotriac wird die Potentialtrennung genutzt und eine Spannungsfestigkeit gegen steile Stoß­ spannungen in der Größenordnung von 2000 V/µs erzielt. Nach der Weiterbildung wird dem beschriebenen Optotriac eine Diode in Serie geschaltet, um sicherzustellen, daß der Schalter ausschalten kann, wenn ein Fehlerstrom nicht mehr ansteht. Während der durch die Diode gesperrten Halb­ wellen kann der Schalter ausschalten.

Die Erfindung soll nun anhand von in der Zeichnung grob schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden:

In Fig. 1 ist ein Differenzstromschutzschalter block­ schaltbildartig veranschaulicht, der phasenunabhängig und bei Einsatz eines Thyristors gegen Stoßspannungen geschützt ist.

In Fig. 2 ist ein Differenzstromschutzschalter veran­ schaulicht, der die Wirkung des Schutzschalters nach Fig. 1 durch einen Optotriac in Serie mit einer Diode erzielt.

Der Schutzschalter nach Fig. 1 überwacht einen Außenlei­ ter 1 und einen Mittelpunktsleiter 2, die jeweils eine Primärwicklung 3 und 4 des Steuerkreises einer Trans­ duktor-Schaltung bzw. eines Summenstromwandlers bilden. Die Primärwicklungen 3 und 4 können als bloße Durch­ führung des Außenleiters 1 und des Mittelpunktsleiters 2 durch einen Summenstromwandler ausgeführt sein. Ein Rechteckgenerator 5 steht über einen Verstärker 6 mit der Sekundärwicklung 7 der Transduktorschaltung bzw. des Summenstromwandlers in Verbindung. Am Ausgang der Se­ kundärwicklung 7 ist in Serienschaltung ein ohmscher Dämpfungswiderstand 8 und ein komplexer, überwiegend kapazitiver Meßwiderstand 9 verbunden. Der zweite An­ schluß des Meßwiderstandes 9 liegt an Bezugspotential, im Ausführungsbeispiel an Nullpotential. Der komplexe Meßwiderstand 9 kann im wesentlichen ein Kondensator sein. Der ohmsche Widerstand kann sich als Nebeneffekt eines technischen Kondensators ergeben.

Mit einem Abgriff zwischen Sekundärwicklung 7 und Meß­ widerstand 9, im Ausführungsbeispiel hinter dem Dämpfungswiderstand 8, ist eine Auswerteschaltung 10 verbunden. Sie weist in Serienschaltung im wesentlichen ein Integrierglied 101 und als Schwellwertschalter einen monostabilen Multivibrator 102 sowie ein gesteuertes Stromventil 103 auf. Wenn das gesteuerte Stromventil ein Thyristor ist, ist es günstig, um Fehlauslösungen durch hohe und steile Stoßspannungen und Schaltüberspan­ nungen zu vermeiden, ein Hochpaßglied 104 und einen Ab­ leitungskondensator 105 gegen Bezugspotential einzuschal­ ten und im Leitungszug zur Auslöseeinrichtung 11 einen Begrenzungswiderstand 106 einzuschalten. Auf reguläre Auslösesignale spricht die Auslösevorrichtung 11 an, die über eine Wirkverbindung 13 und ein Schaltschloß 12 eine Kontaktvorrichtung 14 im zu schützenden Leitungszug öffnet.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist das gesteuerte Stromventil 103 ein Optotriac nach Art des handelsüb­ lichen SIPMOS AC-Schalters SITAC, der mit einer Diode in Serie geschaltet ist. Die Beschaltungsglieder 104, 105 und 106 nach Fig. 1 können dann auch bei einem Schutzschalter entfallen, der bei Stoßspannungen in der Größenordnung von 2000 V/µs nicht zu Fehlauslö­ sungen führt.

Die Eigenschaften des geschilderten Schutzschalters nach Fig. 1 oder nach Fig. 2 werden noch gefördert, wenn für den Summenstromwandler ein Eisenkern aus einem Z-Ma­ terial mit der Handelsbezeichnung Vitrovac 6025 Z ver­ wendet wird.

Claims (3)

1. Differenzstromschutzschalter nach dem Prinzip der Transduktorschaltung, dessen Sekundärwicklung (7) mit einem komplexen, überwiegend kapazitiven Meßwiderstand (9) in Serienschaltung an einem Rechteckgenerator (5) angeschlossen ist, wobei an einem Abgriff zwischen Se­ kundärwicklung (7) und Meßwiderstand (9) eine Auswerte­ schaltung (10) angeschlossen ist, die über eine Auslöse­ einrichtung (11) und ein Schaltschloß (12) eine Schalt­ kontaktvorrichtung (14) betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (10) mit einem gesteuerten Stromventil (103) arbeitet, dem im Steuerkreis ein monostabiler Multivibrator (102) vorgeschaltet ist, der den Zündimpuls auf eine Zeit­ dauer verlängert, die in etwa gleich der Periodendauer der Netzfrequenz oder größer ist.

2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesteuerte Strom­ ventil (103) ein Thyristor ist, dem Hochpaßglied (104) und ein Abteilungskondensator (105) gegen Bezugspoten­ tial und im Leitungszug ein Begrenzungswiderstand (106) vor der Auslöseeinrichtung (11) nachgeschaltet ist.

3. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesteuerte Strom­ ventil ein Optotriac nach Art des handelsüblichen SIPMOS AC-Schalters SITAC (registriertes Warenzeichen) ist, der mit einer Diode in Serie geschaltet ist.