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Fehlerstromschutzanordnung für über ein Kabel gespeiste Wechselstromverbraucher
Die bekannte Fehlerstromnschutzanordnung nach Heini :sch -Ried 1, bei der der zu
.schützende Verbraucher über eine sog. Fehlerstromspule geerdet ist, bietet hei
,sachgemäßer Anwendung einen guten Schutz gegen gefährliche Berührungsspannungen,
indem,sie den damit ausgerüsteten Anlageteil beim Auftreten solcher @Berührungsspannungen
rasch abschaltet. Dagegen schützt :sie nur innerlialb enger Grenzen gegen Fehlerströme,
deren Beträge unterhalb :der Ansprechgrenze des überstromschutzes liegen, wie es
namentlich bei unvollkommenem Erdschluß der Fall sein kann. Häufig genügen aber
schon solche kleinen Fehlerströme, beispielsweise Fehlerströme von wenig über ioo
mA, um an den Fehlerstellen starke Erwärmungen hervorzurufen. Sie stellen infolgedessen
eine erhebliche Brandgefahr dar. Ein umfassender Schutz gegen solche Fehlerströme
läßt sich nur durch Anordnungen erreichen, die auf :die Vektorsumme :der in :den
Anlageteil fließenden Leitungsströme ansprechen. Man kann zu diesem Zweck dem Auslöserelais
die Ströme .sämtlicher Leiter unmittelbar oder über Wandler zuführen. Da, hierzu
aber eine Vielzahl von Wicklungen erforderlich ist, wird das Relais sehr unhandlich.
Meistens :be-,dient man sich daher .eines sog. Summenwandlers, der nur einen dem
Surrimenstrom proportionalen Strom liefert. Die Wirkung :dieser Anordnungen beruht
darauf, daß bei gesunder Artlage -die Vektorsumme aller durch die Speiseleitungen
zum Verbraucher fließenden Ströme verschwindet, daß dagegen bei jedem Fehlerstrom,
der innerhalb des zu schützenden Anlageteiles nach Erde fließt, ein endlicher Summenstrom
auftritt, der @so zur Anzeige des Fehlers oder :zur Abschaltung des Anl:ageteiles
benutzt werden kann.
l4ei den genannten Anordnungen wird es bisher
als großer Mangel empfunden, daß die Primiärleiter der verwendeten Summemvandlier
die vollen Nennströme der Anlage führen, während der Summenstrom, der im Fehlerfalle
zur Auslösung zur Verfügung steht, auf der Primärseite meistens weniger als ioo
niA,beträgt. Dieser Summenstrom steht zu den Abmessungen der Primärleiter in gar
keinem brauchbaren Verhältnis. Man kann aber andererseits den Primärwicklungen des
Wandlers wegen der großen Querschnitte der Leiter auch nur eine sehr geringe Windungszahl
geben, wenn man nicht zu wirtschaftlich untragbaren Abmessungen des Wandlerkernes
kommen will. Der Wandler arbeitet daher stets am Anfang der Magnetisierungskurve
des Eisens, und zudem ist die wirksame Amperewindungszahl sehr gering. Hinzu kommt,
daß die Wicklungen der einzelnen Phasenleiter sowie des etwa vorhandenen Nulleiters
vollkommen symmetrisch sein müssen, damit .das Ergebnis nicht noch durch unterschiedliche
Streuungswerte gefälscht wird. Man hat deshalb auch schon sämtliche primären Leiter
gebündelt und in dieser Form genieinsam auf den Wandlerkern gewickelt. Dabei ist
es aber notwendig, die einzelnen Leiter jeweils für die volle Spannung zu isolieren,
was den Füllfaktor des Wickelquerschnitts stark verschlechtert. Schon bei verhältnismäßig
kleinen Nennströmen gelangt man dadurch zu beträchtlichen Ausmaßen für den 1?isenkern
und die Wicklungen des Wandlers. Alle diese Umstände erschweren die praktische Ausführung
dieser Schutzanordnungen ganz außerordentlich. Nur durch die Verwendung höchstempfindlicher
Relais, die bekanntlich wieder andere Nachteile haben, läßt .sich die Grenze ihrer
Anwendbarkeit noch etwas nach oben verschieben.
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Die Erfindung vermeidet die beschriebenen Nachteile. Sie bezieht sich
auf eine Fehlerstromschutzanordnung für Wechselstromverbraucher, die über ein Kabel
gespeist werden. Die Anzeige oder Auslösung erfolgt dabei, wie bekannt, durch den
Summenstrom der Kabelleiter.
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Im Gegensatz zu dem Bekannten besteht die Erfin.duiig im wesentlichen
darin, daß das Kabel selbst oder eine Teillänge desselben als Summenstromwandler
ausgebildet ist. Das Kabel besitzt zu diesem Zweck zur Bildung der Sekundärwicklung
Eine Anzahl Hilfsleiter, von denen ein Teil zusammen mit den Kabelleitern, die die
Leitung führen, von einem ferromagnetischen Hohlzylinder umgeben ist, außerhalb
dessen die übrigen Hilfst' Leiter angeordnet sind. Vorteilhaft sind dabei die Hilfsleiter
aus Gründen der Platzersparnis jeweils in und über den Zwickelir des Kabelquerschnitts
angeordnet. Der eine der Hilfsleiter kann von dem .Metallmantel des Kabels gebildet
werden.
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Der ferromagnetische Hohlzylinder besteht vorzugsweise aus einer Wicklung
aus ferromagnetischem Draht, Band oder Folie, die sich über den die Leistung führenden
Kabelleitern, einschließlich des etwa vorhandenen Nulleiters, sowie einem Teil der
Ililfsleiter befindet. DerferromagnetischeHohlzylinder ist somit ähnlich wie.die
bei Fernmeldekabeln unter dem Namen Krartipw-icklung bekannte ferromagnetische Bewicklung
aufgebracht. Die erfindungsgemäß angewandte Bewicklung braucht aber nicht notwendigerweise
aus einem Werkstoff von besonders hoher Anfangspermeabilität zu bestehen, da man
die als Summenstromwandler benutzte Kabellänge ohne weiteres so lang bemessen kann,
daß man auch mit einem weniger hochwertigen und daher billigeren ferromagnetischen
Werkstoff im Störungsfalle eine ausreichende magnetische Durchflutung erreicht.
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Die Hilfsleiter sind für den Betrieb zu einer den ferromagnetischen
Hohlzylinder umschließenden Sekundärwicklung zusammengeschlossen, an deren Enden
das Relais der Schutzanordnung angeschlossen ist. Ein besonderes Hilfskabel, das
neben dem eigentlichen Kabel verlegt werden müßte, ist hierzu nicht erforderlich.
Durch Bemessung der verwendeten Kabellänge läßt sich, wie schon erwähnt, in jedem
Falle mit durchaus tragbarem Aufwand erreichen, daß auch ein an sich noch unbedeutender
primärer Summenstrom in der Sekundärwicklung einen ausreichenden Strom induziert,
um mit den üblichen Relais ein hinreichend empfindliches Ansprechen zu gewährleisten
und so beizeiten auf das Vorhandensein eines Fehlers aufmerksam zu machen.
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Vorteilhaft werden die Hilfsleiter noch in einer Widerstandsmeßschaltung
zur Überwachung der Kabeltemperatur ausgenutzt, wodurch sich ohne nennenswerten
zusätzlichen Aufwand gleichzeitig ein brauchbarer Cberstromschutz erreichen läßt.
Zu diesem Zweck genügt es, wenn eine aus einigen der Hilfsleiter gebildete Schleife
in eine Widerstandsbrückenanordnung geschaltet ist.
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Die Zeichnung zeigt beispielsweise in Fig. i im Ouerschnitt eine Ausführungsform
eines Kabels für die Fehlerstromschutzanordnung nach der Erfindung. Fig.2 stellt
ein Schaltbild der Fehlerstromschutzanordnuug dar. Fig.3 zeigt, ebenfalls im Schaltbild,
eine besonders vorteilhafte Ausführung der Anordnung nach der Erfindung, die hier
gleichzeitig zur Überwachung der Betriebstemperatur des Kabels ausgenutzt wird.
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In Fig. i bezeichnen i die isolierten Kabelleiter (Phasen- und lulleiter),
die die Leistung führen, 2 den ferromagnetisclien Hohlzylinder und 3 die (isolierten)
Hilfsleiter, von denen ein Teil innerhalb und ein Teil außerhalb des ferromagnetischen
Hohlzylinders 2 angeordnet ist. d ist der Metallinantel des Kabels.
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Nach Fig. 2 wird aus dein Netz R, S, T, O über die Leiter i
des Kabels und den als Schütz ausgebildeten Leistungsschalter 5 der Verbraucher
gespeist, der geschützt werden soll. Die Hilfsleiter 3 des Kabels sind um den ferromagnetischen
Hohlzylinder 2 zu einer Sekundärwicklung zusammengeschlossen. Der in den Hilfsleitern
3 im Störungsfalle erzeugte Strom erregt das Relais 6, dessen Kontakte 7 den Ruhestromkreis
des Schützes öffnen, wodurch die Spule 8 des Schützes 5 entregt und das Schütz 5
abgeschaltet wird. Das Schütz 5 kann mittels des Schalters 9 erst dann wieder
lotternd
eingeschaltet werden, wenn die Fehlerursache beseitigt ist, weil erst dann das Relais
6 stromlos wird und die Kontakte 7 geschlossen bleiben.
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In der Schaltung nach Fig. 3 sind außerdem zur llberwachuug der Kabeltemperatur
zwei der Hilfsleiter 3 zu einer Schleife to zusammengefaßt und in Keilte mit dem
Olimschen Widerstand ii in eine Widerstandsbriickenanordnung geschaltet, die auf
der anderen Seite den mit dem veränderbaren Abgriff 12 versehenen Ohinschen Widerstand
13 und in der liriickeuverltindung die Relaisspule 6 enthält. Die Stellung des veränderlichen
Abgriffs 12 kann @1n der Skala 14 abgelesen werden. Die größte I?nilihitdliclikeit
der Brücke ist dann erreicht, wenn die \\'iclerstandswerte alle vier Brückenglieder
nahezu gleich groß sind. Gespeist wird diese Brückenatiordnutig mittels Gleichstrom,
der aus dein Wandler 15 über die Gleichrichteranordnung 16 entnommen und den Brückenpunkten
17 und 18 zugeführt wird. In Reihe mit der Relaisspule 6 ist zwischen den Punkten
12 und 1g in der Brückenverbindung der Gleichrichter 2o angeordnet und derart geschaltet,
daß nur bei zunehmender Temleratur der Hilfsleiter to ein Gleichstrom durch die
Brücketwerltindung Hießen kann. Die Gleich-. spauntin-g kaue, falls erforderlich,
mittels des Kondensators 21 geglättet werden.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist wie folgt: Bei einer 4estimmten
Temperatur .der Hilfsleiterschleife to ist die Brücke bei einer bestimmten Stellung
des veränderlichen @bgriffs 12 des Widerstati<les 13 im Gleichgewicht. Man kann
daher jeder Temperatur der llilfsleiterschleife 1o und damit der Kabelleiter t eine
Stellung des Ahgriffs 12 zuordnen, also die Skala 14 in Wärmegraden eichen. Steht
also der Abgriff 12 auf irgendeinem Teilstrich von 14, darin ist die Spannung in
der Brücke zwischen den Punkten 12 und 1g ein Maß für die Temperaturdifferenz der
Hilfsleiterschleife 1o gegenüber der eingestellten Temperatur. Außerdem wechselt
beim Durchschreiten des Wertes Null dieser Temperaturdifferenz die Spannung ihre
Dichtung. Der Gleichrichter 20 bewirkt nun durch die .1rt seiner Schaltung, daß
ein Strom durch die Relaisspule 6 nur fließen kann, wenn sich die Temlteratur der,llilfsleiter
und damit die Kabeltemperatur über den der Einstellung an der Skala 14 entsprechenden
Wert erhöht. Dieser Strom erregt dann die Relaisspule 6 und löst bei einem gewissen
Wert aus, wodurch, wie oben zu Fig. 2 beschrieben, das Schütz 5 betätigt wird und
den Verbraucher abschaltet. Zweckmäßig wird der Relaisstrom bei der Eichung der
Temperaturskala i4berücksichtigt, d. 1i. ,die Skala 14 so geeicht, daß jeweils bei
der an (lies-er Skala eingestellten Temperatur gerade der Ansprechstrom des Relais
6 erreicht wird.
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Da durch den Gleichstrom, -der die Hilfsleiterschleife to durchfließt,
der ferromagnetische Hohlzylinder 2 vormagnetisiert wird, kann man durch geeignete
Wahl der Stromstärke und der Leiterzahl auch noch erreichen, daß im Bereich der
höchsten l'ermeabilität des ferroniagnetischen Hohlkörpers2 gearbeitet wird. Dadurch
läBt sich die erforderliche Länge des als Summenwandler ausgebildeten Kabelabschnitts
auf ein Minimum verkürzen.
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Hat man keinen Gleichstrom zur - Verfügung oder ist eine Speisung
der Brücke mit Gleichstrom unbequem, so kann die Brückenanordnung auch mit Wechselstrom
betrieben werden. In diesem Falle wird vorteilhaft für die Überstromauslösung ein
gesondertes wattmetrisches Relais verwendet, das nur anspricht, wenn sich die Temperatur
der Hilfsleiter und damit des Kabels über die zulässige Temperatur erhöht. Außerdem
empfiehlt es sich in einem solchen Falle, um Fehlauslösungen durch Summenströme
zu vermeiden, die Müßschleife für die (lherstromauslösung ausschließlich aus solchen
Hilfsleitern zu bilden, die sich sämtlich innerhalb oder sämtlich außerhalb des
ferromagnetischen Hohlzylinders des Kabels befinden.
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Durch die Erfindung ist es also möglich, alle hinter dem Schalter
5 auftretenden Fehler, seien es Erdschlüsse oder Überströme, einwandfrei abzuschalten.
Die Energierichtung ist hierbei ohne Einfluß, man kann also in den Schaltbildern
Netz und Verbraucher vertauschen. Außerdem schützt das als Summenwandler ausgebildete
Kabelstück das ganze Kabel, ohne daß besondere, sich über die ganze Länge -des Kabels
erstreckende Hilfsadern notwendig wären.