DE3718183C2 - Differenzstromschutzschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzstromschutz­ schalter nach dem Prinzip einer Transduktorschaltung mit einem Summenstromwandler, dessen Primärkreis aus den stromführenden Leitungen gebildet ist und einer Sekundärwicklung, wobei als Sekun­ därkreis die Sekundärwicklung mit einem komplexen Meß­ widerstand und einem Rechteckgenerator in Reihe geschaltet ist. Der so gebildete Sekundärkreis steuert ferner eine elektronische Auswerteschaltung an, deren Ausgang mit dem Auslöser eines Schalters verbunden ist (DE-OS 34 29 381).

Transduktorschaltungen mit einem Summenstromwandler, der als steuerbare Drossel wirkt, sind bekannt (Hartel/Dietz, Transduktorschaltungen, Springer-Verlag 1966, Seite 62ff). Dabei wird die Sekundärseite einer Transduktorschal­ tung durch eine angelegte, hochfrequente Wechselspannung bis nahe an die Sättigungsgrenze wechselmagnetisiert. In Serienschaltung mit der Sekundärwicklung ist üblicherweise ein Meßwiderstand angeordnet, an dem Signale für eine elektronische Auswertung abgegriffen werden können. Wenn im Falle eines Fehlerstroms durch den Primärkreis ein Summenstrom fließt, so überlagern sich seine magnetische Spannung und die des Wechselmagnetisierungsstromes im Summenstromwandler, was zu periodisch erhöhten Amperewin­ dungszahlen führt. Dadurch wird die Sättigungsgrenze überschritten und der induktive Widerstand der Sekundär­ wicklung wird kleiner. Als Folge davon wird die Spannungs­ amplitude am Meßwiderstand größer. In der Auswertung wird die Spannung am Meßwiderstand mit einer einstellbaren Schwellspannung verglichen und beim Überschreiten dieser Schwellspannung der Auslöser eines Schalters aktiviert, der dann die zu überwachende Leitung unterbricht.

Differenzstromschutzschalter benötigen eine in der Sekun­ därwicklung induzierte Spannung, die so groß ist, daß die Spannungsamplitude am Meßwiderstand deutlich erhöht und somit sicher ausgelöst wird. Deshalb muß durch den Sum­ menstrom in den Primärwicklungen ein entsprechendes Ma­ gnetfeld erzeugt werden, das bei vorgegebener Stromstärke eine bestimmte Windungszahl der Primärwicklungen erforder­ lich macht. Gemäß der EP-OS 0 167 079 benötigt man mit einem komplexen, überwiegend kapazitiven Meßwiderstand im Sekundärkreis des Summenstromwandlers nur jeweils eine einzige Windung der Primärwicklungen. Dabei wird eine Aus­ werteschaltung durch einen für Stoßströme bzw. Stoßspan­ nungen ansprechenden Sensor während der Zeit des Anspre­ chens durch eine vom Sensor gesteuerte Sperre in der Aus­ lösung gesperrt.

Daneben wird in der DE-OS 23 15 496 eine Schutzeinrichtung insbesondere für Mittelspannungsanwendungen beschrieben, welche Überströme mit einem Stromwandler erfaßt und bei einer vorgegebenen Stromschwelle einen Lastschalter aus­ löst. Dabei wird die Auslösung der Schutzeinrichtung bei kurzzeitigen Stromspitzen durch eine Sperrung des Auslösetransistors verhindert. Weiterhin ist aus der DE-OS 34 29 381 ein Fehler­ stromschutzschalter nach dem Transduktorprinzip bekannt, bei dem ein von pulsförmigen Fehlerströmen in der Sekun­ därwicklung des Summenstromwandlers induziertes Spannungs­ signal durch ein elektronisches Ventil in der Amplitude begrenzt wird. Die Auswerteschaltung kann dabei eine erste Stufe aus einem Integrierglied, eine nachgeschaltete zweite Stufe aus einem Schwellwertschalter und ein darauf folgendes Auswerteglied enthalten.

Schließlich ist in der nichtvorveröffentlichten DE-OS 36 43 981 ein Fehlerstromschutzschalter mit einem als Zeit­ sperre wirkenden Koppelschalter vorbeschrieben, der einen für Stoßströme bzw. Stoßspannungen ansprechenden Sensor aufweisen soll.

Bei empfindlichen Differenzstromschutzschaltern tritt das Problem auf, daß sie auch bei vorübergehenden Stoßströmen bzw. Stoßspannungen, die beispielsweise durch Blitzschlag oder beim Schalten von Verbrauchern an langen Zuleitungen auftreten können, den Auslöser des zugehörigen Schalters betätigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen bekannten Schalter zu verbessern, daß kurzzeitige Stoßfeh­ lerströme nicht zur Auslösung des Schalters führen. Ins­ besondere soll eine genaue Einstellung des Auslösewertes unabhängig von der Stromrichtung eines Fehlerstromes mög­ lich sein. Ferner soll auch die Auslösung des Schalters durch Stoßströme und Stoßspannungen geringer Stöße ver­ mieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Wesentlich ist bei der Erfindung, daß ein Koppelschal­ ter, dem die Sekundärspannung und eine Steuerspannung als Eingangssignale vorgegeben sind, aus zwei Sensoren für Stoßströme bzw. Stoßspannungen und eine von den Sensoren steuerbare Auslösesperre für den Auslöser des Schalters gebildet ist. Der Koppelschalter sperrt bei einem eingestreuten Stoßfehlerstrom mit größerer Strom­ stärke und kurzer Dauer während einer einstellbaren kurzen Zeit die Auslösung der Schalteinrichtung. Der Differenz­ stromschutzschalter ist somit unempfindlich gegen kurze Stoßfehlerströme. In dieser Ausführungsform des Differenz­ stromschalters erhält man in Abhängigkeit von der Phasen­ lage des Stoßstromsignals zur Wechselmagnetisierung des Rechteckgenerators eine stoßstrombedingte Signalerhöhung entweder an der Sekundärwicklung oder am Meßwiderstand bzw. an den Meßkomponenten. Deshalb ist eine Entstörschal­ tung, die diese beiden Signale getrennt verarbeitet, auch noch bei verhältnismäßig kleinen Stoßströmen wirksam. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine Verminderung der Wechselmagnetisierung an der Sekundärwicklung eine entsprechende Erhöhung der Spannung an den Meßkomponenten zur Folge hat und umgekehrt. Diese Erhöhung der Sekundär­ spannung oder der Meßspannung wird im Koppelschalter ver­ arbeitet und führt zur Blockierung des Auslösers über eine einstellbare Zeit.

Die Auslösesperre, vorzugsweise eine für die beiden Senso­ ren gemeinsame elektronische Auslösesperre, kann sowohl im Sekundärkreis des Summenstromwandlers als auch an der elektronischen Auswerteschaltung wirksam werden. Sie kann beispielsweise den Meßstromkreis unterbrechen oder auch ein Sperrpotential an den Meßkreis anlegen. Ferner kann sie auf die Wechselmagnetisierung der Sekundärwicklung des Rechteckgenerators einwirken, indem sie beispielsweise den Rechteckgenerator sperrt.

In einer besonderen Ausführungsform des Differenzstromschutz­ schalters kann die elektronische Auswertung durch die Auslöse­ sperre blockiert werden, indem beispielsweise die Eingangsspan­ nung oder die Versorgungsspannung der Auswertung unterbrochen wird. Eine besonders einfache Ausführungsform besteht darin, daß die Auslösesperre die Eingangsspannung eines Schwellwert­ schalters in der Auswertung unter den Schwellwert absenkt und damit ein Signal auf den Auslöser des Schalters sperrt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Differenz­ stromschalters gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Der dargestellte Differenzstromschutzschalter überwacht einen Außenleiter L und einen Mittelpunktsleiter Mp, die jeweils einen einzigen Primärleiter 3 bzw. 4 eines Summenstromwandlers 2 bilden. Der Sekundärkreis des Summenstromwandlers enthält eine Reihenschaltung eines Rechteckgenerators 5 mit einem Blockkondensator 6, der nach Erreichen seiner stationären Span­ nung nur Wechselströme durchläßt und Gleichstromkomponenten sperrt, und der Sekundärwicklung 7 dieses Summenstromwandlers. Mit der Sekundärwicklung 7 in Reihe geschaltet sind ferner Meß­ komponenten mit einem überwiegend ohmschen Dämpfungswiderstand 8 von beispielsweise 1 kΩ sowie einem Bedämpfungsglied 81 mit einem kapazitiven Widerstand von beispielsweise l/ω·C = 3 kΩ und einem ohmschen Bedämpfungswiderstand von beispielsweise 10 kΩ zur Bedämpfung von Schwingungen zwischen der Induktivität der Sekundärwicklung 7 mit der Kapazität eines komplexen, überwie­ gend kapazitiven Meßwiderstandes 9. Die Spannung am Meßwider­ stand 9 wird einer elektronischen Auswertung 10 als Eingangssi­ gnal vorgegeben, deren nicht näher bezeichneter Ausgang an den Auslöser 11 des Schaltschlosses 12 eines Schalters 14 ange­ schlossen ist. Die Auswertung 10 enthält im wesentlichen eine Reihenschaltung aus einem Gleichrichter- und Integrierglied 101 mit einem Kondensator sowie einem Schwellwertschalter 102 und einem Auswerteglied 103.

Der Auswertung 10 ist ein Koppelschalter 19 zugeordnet, der zugleich als Sensor und als Sperre für die Auswertung 10 dient und der im Falle eines kurzzeitig eingestreuten Fehlerstromes in der Form eines Stoßstromes bzw. einer Stoßspannung über seinen Ausgang 46 die Signalverarbeitung zwischen der Sekundär­ wicklung 7 und dem Auslöser 11 sperrt. Er kann vorzugsweise die Auswerteschaltung 10 während einer im Koppelschalter 19 ein­ stellbaren Zeit sperren, beispielsweise durch Entladung des Kondensators im Integrierglied 101 und damit durch Absenken der Eingangsspannung des Schwellwertschalters 102.

Der Koppelschalter 19 kann einen Optokoppler enthalten, der in seinem Steuerkreis als Sensor 30 für die Stoßströme wirkt.

Zu diesem Zweck wird die Sekundärspannung U₁ des Sensors 30 einer Zeitschaltung zugeführt, die einen Eingangsgleichrichter 191 sowie ein Zeitglied enthält, das aus einem RC-Glied 193 und einem Strombegrenzungswiderstand 194 besteht, und die einem Op­ tokoppler 195 vorgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal eine Auslösesperre 40 betätigt.

Der Optokoppler 195 hat den Vorteil, daß zwischen Steuer- und Arbeitsseite eine vollständige Potentialtrennung herrscht, so daß auch hohe Stoßströme sekundärseitig nicht zu Spannungsver­ schleppungen führen können. Ein Optokoppler eignet sich somit als Sensor für sehr hohe und sehr steile Stoßströme.

Einer weiteren Zeitschaltung 30′ wird die Meßspannung U₂ zuge­ führt. Als Meßspannung dient wenigstens die Spannung am Meßwiderstand 9, vorzugsweise die gesamte Spannung an den Meß­ komponenten, nämlich der Summenspannung am Dämpfungswiderstand 8, dem Bedämpfungsglied 81 und dem Meßwiderstand 9. Sie enthält die gleichen Elemente, die in der Figur mit 191′, 193′, 194′ und 195′ bezeichnet sind. Die beiden Lastkreise der in der Fi­ gur nicht näher bezeichneten Phototransistoren der Optokoppler 195 und 195′ sind über einen verhältnismäßig kleinen Begren­ zungswiderstand 197 von beispielsweise 20 Ohm an die Eingangs­ klemme 198 einer positiven Versorgungsspannung angeschlossen.

Die Auslösesperre 40 enthält als Zeitsteuerung ein RC-Glied aus einem Kondensator 42 und einem Entladewiderstand 43 von beispielsweise 1 kOhm, die im Steuerkreis eines Transistors 44 angeordnet sind, dessen Laststrom über einen Begrenzungswider­ stand 45 die Auswertung 10 während der Entladezeit des Konden­ sators 41 sperrt. Die Kapazität des Kondensators 42 und die Größe des Entladewiderstandes 43 werden so gewählt, daß die Entladezeit des Kondensators 42, welche die Zeit der Sperrung der Auswertung 10 bestimmt, etwa 1 bis 5 ms beträgt. Im Falle der Durchsteuerung eines der Optokoppler 195 oder 195′ wird der Kondensator 42 über den verhältnismäßig kleinen Begrenzungswi­ derstand 197 verhältnismäßig schnell, beispielsweise innerhalb weniger Mikrosekunden, aufgeladen und anschließend über die Steuerstrecke des Transistors 43 in wenigstens einigen Milli­ sekunden entladen. Der Laststrom des Transistors 44 über den Begrenzungswiderstand 45 entlädt die Kapazität im Integrier­ glied 101 der Auswertung 10 und senkt damit vorübergehend die Eingangsspannung am Schwellwertschalter 102 ab, so daß die Auswertung 10 während dieser Zeit blockiert ist.

Im Diagramm der Fig. 2 ist die Sekundärspannung U₁, die im wesentlichen aus der durch die elektrischen Komponenten im Sekundärkreis verformten Rechteckspannung U₁ besteht, in Ab­ hängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Zur Zeit t₁ soll bei­ spielsweise im Primärkreis des Summenstromwandlers 2 ein Stoß­ strom auftreten, der in der Sekundärwicklung 7 einen Spannungs­ impuls U₁′ induziert, welche dem Momentanwert der Rechteck­ spannung U₁ des Rechteckgenerators 5 entgegengerichtet ist. Da dieser Spannungsimpuls U₁′ über die Rechteckspannung U₁ nicht hinausgeht, wird der Optokoppler 195 im Sensor 30 mit diesem Impuls nicht durchgesteuert.

Dagegen wird durch diesen Spannungsimpuls U₁′ die Gegenspannung im Sekundärkreis vermindert. Durch den entsprechend erhöhten Sekundärstrom erhöht sich gemäß Fig. 3 auch der Spannungsim­ puls U₂′ der Steuerspannung U₂ an den Meßkomponenten. Dieser Spannungsimpuls U₂′ geht über die maximal durch den Rechteck­ generator 5 erzeugte Spannung U₂ hinaus und ist zur Steuerung des Sensors 30′ wirksam. Durch diesen Spannungsimpuls U₂′ wird über den Gleichrichter 191′ sowie das RC-Glied 193′, dessen Widerstand und Kondensator zusammen mit dem Begrenzungswider­ stand 194′ so gewählt sind, daß die Entladezeit beispielsweise etwa 100 ms beträgt, der Optokoppler 195′ durchgesteuert. Die Entladezeit von beispielsweise 100 ms bestimmt die Zeitdauer, welche vergehen muß, bis ein folgendes Stoßstromsignal wieder ein Schalten der Optokoppler bewirken kann. Damit ist die Aus­ lösung des Differenzstromschutzschalters durch andauernde Stoß­ strome sichergestellt. Der Kondensator 42 der Auslösesperre 40 wird über den Begrenzungswiderstand 197 aufgeladen. Er entlädt sich über den Transistor 44 und das Ausgangssignal am Ausgang 46 blockiert die Auswerteschaltung 10.

Wird gemäß Fig. 4 zur Zeit t₁ in der Sekundärwicklung 7 des Wandlers 2 durch eine Stoßspannung ein Spannungsimpuls U₁′′ mit gleicher Richtung wie der Momentanwert der Rechteckspannung U₁ induziert, so erhöht dieser Spannungsimpuls während der Zeit t₁ bis t₂ von beispielsweise etwa 50 bis 100 µs die Rechteckspan­ nung und dieses Signal betätigt über den Optokoppler 195 des Sensors 30 die Auslösesperre 40, wodurch der Kondensator 42 entladen und die Auswertung 10 ebenfalls blockiert wird. Dage­ gen führt während dieser Zeit der Spannungsimpuls U₂′′ gemäß Fig. 5 nicht zu einer Betätigung des Sensors 30′. Somit wird je nach Phasenlage der Stoßspannung zur Wechselmagnetisierung im Sekundärkreis des Summenstromwandlers 2 die Auswertung 10 entweder durch die Sekundärspannung U₁ oder durch die Steuer­ spannung U₂ blockiert.

Claims (3)

1. Differenzstromschutzschalter nach dem Prinzip einer Transduktorschaltung mit einem Summenstromwandler, dessen Primärkreis aus den stromführenden Leitungen gebildet wird, und einer Sekundärwicklung, wobei als Sekundärkreis die Sekundärwicklung mit einem komplexen Meßwiderstand und einem Rechteckgenerator in Reihe geschaltet ist und der Sekundärkreis eine elektronische Auswerteschaltung an­ steuert, deren Ausgang mit dem Auslöser eines Schalters verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Koppelschalter (19) vorgesehen ist, der zwei Sensoren (30, 30′) und eine von den Sensoren (30, 30′) steuerbare Auslösesperre (40) für den Auslöser (11) des Schalters (14) enthält, wobei dem ersten Sensor (30) eine an der Sekundärwicklung (7) des Summenstromwandlers (2) abgegriffene Sekundärspannung (U₁) und wobei dem zweiten Sensor (30′) eine Steuerspannung (U₂), die an dem komplexen Meßwiderstand (9) sowie hierzu in Reihe geschal­ teten, weiteren Meßkomponenten (8, 81) im Sekundärkreis abgegriffen wird, vorgegeben ist.

2. Differenzstromschutzschalter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aus­ werteschaltung (10) von der über dem komplexen Meßwiderstand (9) im Sekundärkreis abfallenden Generatorspannung, der die über die Sekundärwicklung (7) induzierte Spannung über­ lagert ist, angesteuert wird.

3. Differenzstromschutzschalter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Aus­ gangssignal der Auslösesperre (40) für die Sperrung der Auswerteschaltung (10) vorgesehen ist.