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Dokumentenidentifikation DE19857739A1 21.06.2000
Titel Fehlerstromschutzschaltungsanordnung
Anmelder ABB Patent GmbH, 68309 Mannheim, DE
Erfinder Kahl, Walter, Dipl.-Ing., 69190 Walldorf, DE;
Popa, Heinz-Erich, Dr.-Ing., 69245 Bammental, DE
DE-Anmeldedatum 15.12.1998
DE-Aktenzeichen 19857739
Offenlegungstag 21.06.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2000
IPC-Hauptklasse H02H 3/33
IPC-Nebenklasse H02H 3/16   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutzschaltungsanordnung für wenigstens einen Phasenleiter (L1, L2, L3) und einen Neutralleiter (N) aufweisendes Netz, mit wenigstens einem Summenstromwandler, dessen Sekundärwicklung mit einer Auslöseeinrichtung (16, 18) verbunden ist, die beim Auftreten eines Fehlerstromes ein Schaltschloß (13) entklinkt, und mit Hauptkontaktstellen (12) im Netz, die bei Auftreten eines Fehlerstromes von dem Schaltschloß (13) bleibend geöffnet werden. Die Auslöseeinrichtung weist zwei Teileinrichtungen (16, 18) auf, von denen die erste (16) das Sekundärsignal eines ersten Summenstromwandlers (11) als Speicherschaltung mit einem Energiespeicher selektiv und netzspannungsunabhängig und von denen die zweite (18) netzspannungsabhängig das Sekundärsignal eines zweiten vormagnetisierten Summenstromwandlers (10) erfaßt und auswertet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutzschaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Fehlerstromschutzschaltungsanordnungen sind an sich bekannt; sie arbeiten, da der Auslöser bzw. die Auslöseeinrichtung nicht vom Netz mit Energie versorgt wird, netzspannungsunabängig.

In elektrischen Anlagen wird zur Erhöhung der Verfügbarkeit elektrischer Energie das Prinzip der Selektivität verwendet. Hierbei soll in einem Netz mit mehreren Verbrauchern vermieden werden, daß bei Auftreten eines Fehlers bei einem Verbraucher die gesamte, zugehörige Netzanlage abgeschaltet wird.

Aus der DE 196 02 911 ist eine Schaltungsanordnung zur Detektion eines Fehlerstromes bekannt geworden, bei dem die Primärwicklung durch einen Summenstromwandler hindurchgeleitet wird; auf dem Stromwandler befinden sich zwei Wicklungen, von denen eine mit einem Auslöser verbunden ist, wogegen die andere zur Vormagnetisierung des Kerns dient. Mit dieser Ausgestaltung kann sowohl ein Wechselfehlerstrom als auch ein Gleichfehlerstrom detektiert werden, weil bei Auftreten eines Gleichfehlerstromes wegen der Vormagnetisierung des Kerns sich dessen Induktion ändert, was mittels einer geeigneten Auswerteschaltung detektiert werden kann.

Aus der DE 25 55 255 ist eine Fehlerstromschutzschalteranordnung bekannt geworden, bei der zwei Summenstromwandler vorgesehen sind, die beide von einem netzstromversorgten Generator vormagnetisiert werden, damit die Schaltungsanordnung auch bei Gleichfehlerströmen ansprechen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fehlerstromschutzschaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die als allstromsensitive Schaltungsanordnung auch selektive Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Erfindungsgemäß besitzt die Auslöseeinrichtung zwei Teileinrichtungen, von denen die erste das Sekundärsignal eines ersten Wandlers als Speicherschaltung mit einem Energiespeicher selektiv und netzspannungsunabhängig auswertet und von denen die zweite netzspannungsabhängig das Sekundärsignal eines zweiten vormagnetisierten Summenstromwandlers auswertet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Ausgangssignale der zweiten Teileinrichtung dem Energiespeicher der ersten Teileinrichtung zugeführt, so daß eine Auslösung erfolgt.

Danach ist die Auslöseeinrichtung selektiv und spricht bei normalem Wechselfehlerstrom netzunabhängig an. Zusätzlich ist ein weiterer Summenstromwandler vorgesehen, dessen Sekundärwicklung mit einer vom Netz versorgten weiteren Auslöseeinrichtung verbunden ist, die bei Auftreten eines Gleichfehlerstromes netzabhängig anspricht und auf das Schaltschloß einwirkt.

Beide Teileinrichtungen sind zusammen mit einem Gleichrichter aufweisenden Netzteil auf einer gemeinsamen Leiterplatte aufgebracht.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die zweite Teileinrichtung einen Sinusgenerator aufweisen, dessen Ausgang den zweiten Summenstromwandler vormagnetisiert. Bei Auftreten eines Fehlerstromes ändert sich die Induktion des Summenstromwandlers, was ausgewertet wird, so daß der Energiespeicher der ersten Teileinrichtung aufgeladen wird.

Darüber hinaus besitzt die Fehlerstromschutzschaltungsanordnung einen Prüfstromkreis, der erfindungsgemäß dem weiteren Summenstromwandler zugeordnet ist.

Die besonderen Vorteile der Schaltungsanordnung bestehen darin, daß sie einen selektiven Allfehlerstromhauptschutzschalter schafft. Darüber hinaus kann der Fehlerstromschutzschalter zeitverzögert auslösen sowie eine hohe Stoßstromfestigkeit aufweisen. Die erfindungsgemäße Anordnung ist weiterhin bei einem FI/LS-Schalter mit hoher Stoßstromfestigkeit und mit selektiven Eigenschaften zu verwenden.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung der Fehlerstromschutzschaltungsanordnung, und

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für die Fehlerstromschutzschaltung gemäß Fig. 1.

In einem dreiphasigen Netz mit den drei Phasenleitern L1, L2 und L3 sowie mit dem Neutralleiter N sind zwei Summenstromwandler 10 und 11 vorgesehen, wobei die Netzleiter als Primärwicklungen durch die Wandler 10 und 11 hindurchgeführt werden. In den Netzleitungen befinden sich Kontaktstellen 12 für die Phasenleiter L1 bis L3 und den Neutralleiter, die von einem Schaltschloß 13 angetrieben werden, so daß das Schaltschloß 13, welches eine Verklinkungsstelle (nicht gezeigt) aufweist, die Kontaktstellen 12 bleibend öffnet. Dem Schaltschloß ist weiterhin ein Betätigungsknopf 14 zugeordnet, mit dem das Schaltschloß bzw. der Fehlerstromschutzschalter ein- bzw. ausgeschaltet werden kann.

Die Sekundärwicklung 15 des Wandlers 11 ist einer Auslöseeinrichtung 16 zugeordnet, die selektiv ausgestaltet ist und auf Wechselfehlerströme anspricht und die netzspannungsunabhängig über einen nicht näher dargestellten Auslöser das Schaltschloß entklinkt.

Dem weiteren Wandler 10 ist eine weitere Sekundärwicklung 17 zugeordnet, die mit einer weiteren Auswerteeinrichtung 18 verbunden ist, die allstromsensitiv ist und mit Netzleiterverbindungen 19 mit Strom versorgt wird.

Dem weiteren Summenstromwandler 10 ist ein Prüfkreis 20 zugeordnet, der einen Prüfwiderstand 21 aufweist und der durch den Summenstromwandler 10 hindurchgeführt ist. Der Prüfkreis befindet sich zwischen dem Phasenleiter L3 und dem Neutralleiter N. Er besitzt eine Prüftaste 22, bei deren Schließen ein Fehlerstrom simuliert wird, der von der weiteren Auswerteeinrichtung 18 detektiert wird und zur Entklinkung des Schaltschlosses 13 führt.

Die Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 im Detail.

An die Netzleiter L1, L2 und L3 sowie den Neutralleiter N ist eine Stromversorgungseinrichtung angeschlossen, mit der über Dioden D7 bis D12 und weitere Beschaltungselemente, nämlich Widerstände R6 bis R14, einen damit in Reihe liegenden Kondensator C5, 2 Schwellwertschalter D13 und D14 sowie einen weiteren Kondensator G6 eine Plus- bzw. Minusspannung gegenüber Masse M erzeugt wird.

Eine derartige Stromversorgungseinrichtung ist als Netzteil an sich bekannt.

Mit diesem Netzteil wird nun die Einrichtung 18 angesteuert, die in der Fig. 2 durch die unten befindlichen strichlierten Linien abgeteilt ist. Die in Fig. 1 im Blockschaltbild 16 dargestellte Schaltungsanordnung dient zur netzstromunabhängigen Erfassung eines Fehlerstromes.

Es sei nun zunächst die letztere Schaltungsanordnung 16 betrachtet.

Die Anschlußklemmen 31 und 32 schließen die Schaltungsanordnung 16 an die Sekundärwicklung 15 des Wandlers an. Parallel zu den Anschlußklemmen 31 und 32 liegt ein Widerstand R1 und parallel hierzu ein Varistor V1 und in Reihe mit der Anschlußklemme 31 ein Widerstand R2, ein Kondensator C1 sowie eine Diode D4, die in Richtung auf die einem Auslöser (nicht gezeigt) zugehörige Anschlußklemme 34 im Durchlaß geschaltet ist.

Zwischen dem Widerstand R2 und dem Kondensator C1 sind zwei Zenerdioden D1 und D2 parallel zu den Anschlußklemmen 31 und 32 geschaltet, die in ihrer Durchlaßrichtung entgegengesetzt geschaltet sind. Parallel zu den beiden Zenerdioden ist ein Kondensator C2 geschaltet; zwischen dem Kondensator C1 und der Diode D4 ist eine weitere Diode D3 parallel zu den Anschlußklemmen 31, 32 eingesetzt, die zusammen mit der Diode D4 eine Gleichrichteranordnung darstellt. Hinter der Diode D4 und parallel zu den Anschlußklemmen 31 und 32 ist ein Speicherkondensator C3 geschaltet. Parallel zu diesem Speicherkondensator C3 befindet sich eine Ansteuereinheit IC1 für einen Transistor Q1, dessen Kollektor ein Widerstand R3 und dessen Emitter ein Kondensator C4 zur Erde geschaltet ist. Zwischen dem Emitter des Transistors Q1 und dem Kondensator C4 schließt eine Parallelschaltung eines Widerstandes R4 und R5 an, wobei der Widerstand R5 parallel zur Basis - Emitterstrecke eines weiteren Transistors Q2 geschaltet ist. Zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors Q2 ist eine Freilaufdiode D6 angeordnet, und zwischen dem Kollektor des Transistors Q2 und der Verbindungsleitung zwischen der Anschlußklemme 31 und 34 ist eine Diode D5 geschaltet, wobei diese Diode D5 hin zu der Verbindungsleitung in Durchlaßrichtung geschaltet ist. Zwischen dem Anschluß der Diode D6 am Kollektor des Transistors Q2 und der Diode D5 ist ein zweiter Anschluß 33 geschaltet, der die andere Anschlußklemme des nicht mehr dargestellten Auslösers ist.

Der Widerstand R1 dient einer Bedämpfung; der Varistor V1 mit den Zenerdioden D1 und D2 erhöht die Stoßstromfestigkeit. Die Kondensatoren C1 und C2 zusammen mit den Dioden D3 und D4 bilden einen Standardschaltungsverdoppler; das Ansteuerelement IC1 ist ein Komparator. Der Kondensator C4 hält den Ladezustand für den Ausgangsimpuls aufrecht.

Im Falle eines Fehlerstromes an der Sekundärwicklung zwischen den Klemmen 31 und 32 wird der Kondensator C3 aufgeladen, der über das Ansteuerelement IC1 den Transistor Q1 ansteuert; der Transistor Q1 steuert den Transistor Q2 an, so daß sich die in dem Speicherkondensator C3 geladene Energie auf die Anschlußklemmen 33 und 34 des Auslösers entladen kann.

Nun sei die Schaltungsanordnung 18 betrachtet:

Die Anschlußklemmen 35 und 36 sind mit der Sekundärwicklung 17 des Summenstromwandlers 10 verbunden. Parallel zu den Anschlußklemmen 35 und 36 liegt ein Varistor V2, der am Ausgang eines Operationsverstärkers IC2, der vom Netzteil (Plus, Minus) mit Energie versorgt wird, mit einem Ende angeschlossen ist, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers IC2 mit der Anschlußklemme 35 verbunden ist.

Der eine, nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers, der mit dem Ausgang verbunden ist, enthält den Widerstand R17 sowie den Kondensator C7; der Ausgang ist außerdem über eine Parallelschaltung eines Widerstandes R18 und C8 mit Masse M verbunden.

Der andere, invertierende Eingang des Operationsverstärkers IC2 ist einerseits über einen Widerstand R19 mit Masse und andererseits über einen Widerstand R20 als Beschaltungselement mit seinem Ausgang verbunden; zwischen dem Ausgang und dem Widerstand R20 und Masse befinden sich zwei Zenerdioden D15 und D16.

Der Komparator IC2 zusammen mit seiner Beschaltung, bei dem der Kondensator C7 und der Widerstand R17 an dem nichtinvertierenden Eingang angeschlossen ist, dient als Sinusgenerator, so daß am Ausgang des Komparators IC2 ein Sinussignal erzeugt wird, welches über die Anschlußklemmen 35 und 36 zur Spule des zweiten Summenstromwandlers geführt wird, wodurch der Summenstromwandler mit diesem Sinussignal auf- bzw. abmagnetisiert worden ist. Dadurch, daß das Ausgangssignal des Komparators IC2 ein Sinussignal ist, ist die Verlustleistung gering, was bei Rechtecksignalen nicht der Fall wäre.

Der Kondensator C10 dient zur Speicher eines von dem Summenstromwandler herrührenden Fehlerstromsignales und dient auch zur Erhöhung der Stoßstromfestigkeit.

Wenn ein Fehlerstrom auftritt, insbesondere ein Gleichfehlerstrom, dann verschiebt sich die Hysterse des Summenstromwandlers, wobei sich der ohmsche Widerstand der Spule ändert und die Induktivität sinkt, so daß am Spannungsteiler eine veränderte Spannung abgenommen werden kann. Das hierbei auftretende sekundärseitige Signal wird über den Komparator IC3 auf den Speicher C3 geleitet, so daß der Speicher C3 aufgeladen wird und bei Überschreiten eines bestimmten Ladezustandes ein Ausgangssignal auf den Auslöser über die Klemmen 34, 33 abgibt.

Sowohl die Schaltungsanordnung 18 als auch die Schaltungsanordnung 16 arbeiten über die Klemmen 34 und 33 gemeinsam auf einen Auslöser, wobei eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Schaltungsanordnungen 16 und 18 durch die Diode D19 vermieden wird. Der Sinusoszillator IC2 dient dabei auch zur Vormagnetisierung des Summenstromwandlers 10, so daß auf diese Weise ein Allstrom.

Aufgrund der besonders einfachen Ausgestaltung des Sinusgenerators mit dem Operationsverstärker IC2 kann die gesamte Schaltungsanordnung inklusive Netzteil auf eine Leiterplatte aufgesetzt werden, wodurch der Platzbedarf deutlich verringert wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Fehlerstromschutzschaltungsanordnung für wenigstens einen Phasenleiter und einen Neutralleiter aufweisendes Netz, mit einem Summenstromwandler, dessen Sekundärwicklung mit einer Auslöseeinrichtung verbunden ist, die beim Auftreten eines Fehlerstromes das Schaltschloß entklinkt, und mit Hauptkontaktstellen im Netz, die bei Auftreten eines Fehlerstromes von dem Schaltschloß bleibend geöffnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtung zwei Teileinrichtungen (16, 18) aufweist, von denen die erste (16) das Sekundärsignal eines ersten Summenstromwandlers (11) als Speicherschaltung mit einem Energiespeicher selektiv und netzspannungsunabhängig und von denen die zweite (18) netzspannungsabhängig das Sekundärsignal eines zweiten vormagnetisierten Summenstromwandlers (10) erfaßt und auswertet.
  2. 2. Fehlerstromschutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der zweiten Teileinrichtung (18) dem Energiespeicher (C3) der ersten Teileinrichtung (16) zuführbar sind.
  3. 3. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Teileinrichtung (18) einen Sinusgenerator (IC2) aufweist, dessen Ausgang den zweiten Summenstromwandler (10) vormagnetisiert, und daß bei Auftreten eines Fehlerstromes die Änderung der Induktion des zweiten Summenstromwandlers (10) detektiert wird, so daß der Energiespeicher (C3) der ersten Teileinrichtung (16) aufgeladen wird.
  4. 4. Fehlerstromschutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Auslöseeinrichtungen auf einer gemeinsamen Leiterplatte aufgebaut sind.
  5. 5. Fehlerstromschutzschaltungsanordnung mit einem Prüfkreis zum Prüfen, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkreis dem weiteren Summenstromwandler zugeordnet ist.






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