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Dokumentenidentifikation DE60014711T2 17.11.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001247318
Titel VERBESSERTE ELEKTRONISCHE FEHLERSTROMSCHUTZVORRICHTUNG
Anmelder ABB Service S.r.l., Mailand/Milano, IT
Erfinder PATRUNO, Walter, I-20090 Buccinasco, IT;
BRANDONISIO, Salvatore, I-20134 Milano, IT;
ANTONELLO, Paolo, I-20010 Arluno, IT;
BENISTON, Samuel, John, 69207 Sandhausen, DE;
SCHWARZ, Willy, CH-8476 Unterstammheim, CH
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Bardehle, Pagenberg, Dost, Altenburg, Geissler, 81679 München
DE-Aktenzeichen 60014711
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 28.11.2000
EP-Aktenzeichen 009873316
WO-Anmeldetag 28.11.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/EP00/12076
WO-Veröffentlichungsnummer 0001050565
WO-Veröffentlichungsdatum 12.07.2001
EP-Offenlegungsdatum 09.10.2002
EP date of grant 06.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.11.2005
IPC-Hauptklasse H02H 3/04

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Erdschlussstromgerät für einen Strom mit niedriger Spannung, welches eine verbesserte Funktionalität besitzt.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein elektronisches Erdschlussstromgerät für Einzel- oder Dreiphasenniederspannungsstromleitungen (aber für Spannungswerte unter 1 KV).

Viele Beispiele von elektronischen Erdschlussstromgeräten für diese Spannungsstromleitungen sind bekannt.

Die Hauptfunktion eines elektronischen Erdschlussstromgerätes ist, die Stromleitung zu unterbrechen, wenn ein Erdschlussstrom oberhalb eines bestimmten voreingestellten Schwellwerts festgestellt wird. Die Stromleitung, auf der eine Auslösung auftritt, kann die Stromversorgungsleitung (Einzel- oder Dreiphasen) sein, die mit einer spezifischen Last oder einem lokalen elektrischen Verbraucher verbunden ist, z.B. vom industriellen oder Haushaltstyp.

Der Ausdruck "Erdschlussstrom" muss verstanden werden, als z.B. einen Erdschlussstrom beschreibend, welcher durch jede Fehlfunktion der Stromleitung oder der elektrischen Lasten, mit denen die Stromleitung verbunden ist, erzeugt wird.

Aus diesem Grund umfassen bekannte Erdschlussstromgeräte im Allgemeinen die folgenden funktionalen Elemente:

  • – einen Stromsensor zum Erfassen eines Erdschlussstroms (auch als Ungleichgewichtsstrom oder Fehlerstrom bekannt) in einem Phasenleiter der Stromleitung;
  • – einen elektronischen Schaltkreis zur Verarbeitung eines Signals, welches die Stärke des Erdschlussstroms anzeigt, gesendet durch den Stromsensor, um ein Auslöse-Anweisung zu erzeugen.

Auslöse-Ereignisse, welche die Unterbrechung der Stromleitung durch das elektronische Erdschlussstromgerät verursachen, treten gemäß allgemein anerkannter technischer Standards auf, welche die technischen Anforderungen festsetzen, welche erfüllt sein müssen, um ein elektronisches Gerät als sicher für den Benutzer einer Stromleitung zu betrachten. Allgemein üblich wird eine Auslösekennlinie für jedes elektronische Erdschlussstromgerät bestimmt. Diese Auslösekennlinie hängt von den konstruktiven Merkmalen des Geräts und zuletzt von den Merkmalen des elektronischen Schaltkreises ab.

Konventionelle elektronische Erdschlussstromgeräte führen Nachteile mit sich.

Auf Grund ihrer Eigenart lösen Erdschlussstromgeräte (einschließlich elektronischer) aus, wenn der erfasste Erdschlussstrom einen voreingestellten Schwellwert überschreitet, um Benutzersicherheit zu gewährleisten.

Im Allgemeinen stellen bekannte Erdschlussstromgeräte jedoch keine Information hinsichtlich des Vorhandenseins der Intensität von Erdschlussstrom bereit, vor dem Auslösen, welches die Unterbrechung der Stromleitung bewirkt; einige Beispiele von Erdschlussschutzgeräten, welche Information hinsichtlich des Vorhandenseins eines Erdschlussstroms bereitstellen, werden in den Patenten US 4,441,999, EP 0 905 847 und GB 2072441 offenbart.

Diese Tatsache hat zur Folge, dass der Benutzer den Fehler nicht vorhersagen und nicht präventiv eingreifen kann, plötzliche Unterbrechungen der Stromleitungen vermeidend. Dies kann insbesondere in dem industriellen Gebiet störend sein, wo die Unterbrechung der Stromleitung unerwartete Maschinenausfallzeiten erzwingt.

Regelmäßige Wartung ist ferner erforderlich, um der Entstehung von Fehlern vorzubeugen, welche die Unterbrechung der Stromleitung nach sich ziehen.

Ferner umfassen bekannte elektronische Erdschlussstromgeräte im Allgemeinen elektronische Schaltkreise zum Setzen des minimalen Auslösestroms und/oder des maximalen Zeitintervalls für das Auslösen. Diese Schaltkreise werden im Allgemeinen durch elektronische Netzwerke des RC-Typs gebildet, welche das elektrische Signal verarbeiten, welches die Stärke des Erdschlussstroms anzeigt, das von dem Stromsensor ankommt. Zum Beispiel wird das maximale Zeitintervall üblicherweise durch Einführen einer Zeitverzögerung gesetzt, welche proportional zu dem erfassten Erdschlussstromwert ist. Obwohl die technischen Lösungen, die im Allgemeinen benutzt werden, erlauben, einige wichtige Parameter voreinzustellen, welche die Auslöse-Kriterien des elektronischen Erdschlussstromgeräts kennzeichnen, erlauben sie nicht, im Voraus sein Gesamtverhalten zu definieren und daher den Trend seiner Auslösekennlinie. Diese Tatsache zieht einen hohen Grad an Unsicherheit nach sich, hinsichtlich des Verhaltens des Geräts für hohe Erdschlussstromstärken, für welche die proportionale Verzögerung, die durch allgemein benutzte technische Lösungen eingeführt wird, auf vernachlässigbare Stärken herab zu sinken tendiert.

In diesem Fall wird gesicherte Kontrolle über die Auslöse-Zeiten des elektronischen Erdschlussstromgeräts nicht länger bereitgestellt. Dies kann, z.B., unerwartete Unterbrechungen (auch bekannt als unzeitige Auslösungen) der Stromleitung zur Folge haben, welche eine schwere Störung des Benutzers darstellen. Ferner können erhebliche Probleme auftreten, wenn ein elektrisches System elektronische Erdschlussstromgeräte in einer Kaskadenkonfiguration beinhaltet (z.B. ein Gerät von einem allgemeinen Typ, verbunden mit einem Netzwerk mit Geräten selektiven Typs). In diesem Fall bewirkt die Unsicherheit hinsichtlich der Auslöse-Zeit Probleme in dem koordinierten Management der Auslöse-Ereignisse der elektronischen Erdschlussstromgeräte. Zusätzlich zu diesem Nachteil besteht die Tatsache, dass, da die Auslösekennlinie schwer vorherzubestimmen ist, viele elektronische Geräte nicht den Standards während des Testens und der Inspektion genügen können. Diese Tatsache hat viele Schwierigkeiten zur Folge, zusätzlich zu einem hohen Grad an Unsicherheit hinsichtlich der Erfüllung der anwendbaren Standards des Erdschlussstromgeräts, wenn es notwendig ist, bestimmte Erfordernisse des elektrischen Verbrauchers zu erfüllen, für welchen das Gerät bestimmt ist. Zum Beispiel ist es schwer, im Voraus den Typ des Erdschlussstromgeräts zu bestimmen oder ob es eine komplexere Auslösekennlinie besitzen muss. Kalibrierungsoperationen, um eine Auslösekennlinie zu erreichen, welche so nah wie möglich die intendierte approximiert, sind immer noch kompliziert.

Ein weitere Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, dass bekannte Erdschlussstromgeräte im Allgemeinen entworfen sind, um bestimmte Typen von Aktuatoren zu benutzen. In der Praxis sind die elektronischen Schaltkreise, welche das Auslöse-Signal erzeugen, im Stande, nur einen bestimmten Typ von Aktuator zu treiben. Wenn jemand sich entscheidet, den Typ von Aktuator zu ändern, dann muss das gesamte elektronische Erdschlussstromgerät neu entworfen werden, um zufriedenstellenden Betrieb sicherzustellen.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, dass in bekannten elektronischen Erdschlussstromgeräten der Entwurf der elektronischen Schaltkreise zum Erzeugen des Signals sehr oft nur am Rande den Betriebszustand der Sensorgeräte berücksichtigt, welche geeignet sind, das Vorhandensein eines Erdschlussstroms zu erfassen. Insbesondere sind technische Lösungen zum Überwachen, mit Diagnosen des On/Off-Typs, des Betriebszustands der Sensormittel sehr oft alles, was bereitgestellt wird. Da die Sensormittel eine Schnittstelle mit elektronischen Bauteilen bilden müssen, welche für andere spezifische Zwecke entworfen wurden (die Erzeugung eines Auslöse-Signals, wenn eine bestimmte Stärke des Erdschlussstroms überschritten wird), werden sie auf eine nicht-optimale Weise betrieben, was die Leistungsfähigkeit des gesamten elektronischen Erdschlussstromgeräts negativ beeinflusst.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein elektronisches Erdschlussstromgerät für eine Niederspannungsstromleitung bereitzustellen, welche den Benutzer mit Informationen zu versorgen erlaubt, hinsichtlich des Vorhandenseins und des Ausmaßes eines Erdschlussstroms, bevor das elektronische Erdschlussstromgerät auslöst.

Innerhalb der Reichweite dieses Ziels ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Erdschlussstromgerät bereitzustellen, welches es erlaubt, in einer einfachen Weise den Trend der Auslösekennlinie voreinzustellen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches Erdschlussstromgerät bereitzustellen, welches es erlaubt, mehrere Aktuatorvorrichtungen zu benutzen, ohne wesentliche Änderungen an den Elektrodenschaltkreisen, welche geeignet sind, das Auslöse-Signal für die Aktuatorvorrichtungen zu erzeugen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches Erdschlussstromgerät bereitzustellen, welches es erlaubt, de Betrieb der Sensoren, die geeignet sind zum Erfassen des Erdschlussstroms, zu optimieren.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches Erdschlussstromgerät bereitzustellen, welches es erlaubt, die Stromleitung zu unterbrechen, wenn die Sensoren, die geeignet sind, einen Erdschlussstrom zu erfassen, nicht funktionieren.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches Erdschlussstromgerät bereitzustellen, welches hoch zuverlässig ist, relativ einfach herzustellen und bei bescheidenen Kosten.

Daher stellt die vorliegende Erfindung ein elektronisches Erdschlussstromgerät für eine Niederspannungsstromleitung bereit, umfassend:

  • – einen beweglichen Kontakt und einen festen Kontakt, welche wechselseitig gekoppelt/entkoppelt werden können; und
  • – erste Sensormittel zum Erfassen eines Erdschlussstroms und zum Erzeugen eines elektrischen Signals, welches die Stärke des Erdschlussstroms anzeigt; und
  • – erste elektronische Mittel, welche elektrisch mit den ersten Sensormitteln verbunden sind, um auf der Basis des elektrischen Signals, welches die Stärke des Erdschlussstroms anzeigt, ein elektrisches Auslöse-Signal zu erzeugen; und
  • – Aktuationsmittel, wirkend verbunden mit dem beweglichen Kontakt, um in Antwort auf elektrische Steuersignale, die Trennung des beweglichen Kontakts von dem festen Kontakt auszuführen; und
  • – zweite elektronische Mittel zum Steuern, abhängig von dem elektrischen Signal, welches die Stärke des Erdschlussstroms anzeigt, von Signalisierungsmitteln, welche geeignet sind, den Verbraucher mit Informationen zu versorgen hinsichtlich der Stärke des erfassten Erdschlussstroms, wobei die zweiten elektronischen Mittel ein erstes Schaltkreisnetzwerk zum Erzeugen eines oder mehrerer Logiksteuerungssignale umfassen, folgend auf den Empfang eines elektrischen Spannungssignals.

Das Erdschlussstromsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:

  • – ein erstes Komparatorelement zum Erzeugen eines ersten Freigabesignals (V1), wenn das elektrische Spannungssignal eine voreingestellte Referenzspannung (VRIFI) überschreitet;
  • – einen ersten Schaltkreisblock zum Erzeugen eines elektrischen Stromsignals I1, folgend auf den Empfang des ersten Freigabesignals (V1);
  • – ein erstes kapazitives Element, welches mit Masse verbunden ist und durch ein elektrisches Stromsignal als Eingabe geladen wird, um eine Ladespannung zu erzeugen;
  • – ein zweites Komparatorelement, welches elektrisch mit dem ersten kapazitiven Element verbunden ist, empfängt als Eingabe die Ladespannung und erzeugt die einen oder mehreren Logiksteuersignale, wenn die Ladespannung eine voreingestellte Referenzspannung überschreitet, wobei jedes Logiksteuersignal einer voreingestellten Erdschlussstromstärke entspricht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden ersichtlich aus der detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des Erdschlussstromgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung, dargestellt lediglich im Wege eines nichtbeschränkenden Beispiels in den anliegenden Zeichnungen, in welchen:

1 ein Blockdiagramm eines elektronischen Erdschlussstromgeräts gemäß der Erfindung ist;

2 ein Blockdiagramm eines Details des elektronischen Erdschlussstromgeräts gemäß der Erfindung ist;

3 ein Blockdiagramm eines weiteren Details des elektronischen Erdschlussstromgeräts gemäß der Erfindung ist;

4 ein Blockdiagramm eines weiteren Details des elektronischen Erdschlussstromgeräts gemäß der Erfindung ist;

5 ein Blockdiagramm eines weiteren Details des elektronischen Erdschlussstromgeräts gemäß der Erfindung ist;

6 ein Blockdiagramm eines weiteren Details des elektronischen Erdschlussstromgeräts gemäß der Erfindung ist.

Die Struktur eines elektronischen Erdschlussstromgeräts gemäß der Erfindung wird schematisch unter Bezugnahme auf 1 dargestellt.

Das Erdschlussstromgerät gemäß der Erfindung (begrenzt durch die gestrichelte Linie 30) umfasst einen beweglichen Kontakt und einen festen Kontakt, welche wechselseitig gekoppelt/entkoppelt werden können (Bezugszeichen 31). Die Trennung des beweglichen Kontakts von dem entsprechenden festen Kontakt bewirkt offensichtlich die Unterbrechung der Stromleitung 32.

Die Stromleitung 32 kann vom Einzel- oder Dreiphasentyp sein, gemäß den Anforderungen des elektrischen Verbrauchers. Die Vorrichtung 30 umfasst ein erstes Sensormittel 33 zum Erfassen eines Erdschlussstroms in einem Phasenleiter der Stromleitung 32. Das Sensormittel 33 kann daher ein elektrisches Signal erzeugen, welches die Stärke des erfassten Erdschlussstroms anzeigt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erste Sensormittel 33 mindestens eine Stromwandler, welcher mit einer primären Windung versehen ist, welche die Leiter der Stromleitung 32 umfasst. Dementsprechend fließt ein elektrisches Stromsignal in die sekundäre Windung des Wandlers in Antwort auf das Vorhandensein eines Erdschlussstroms in dem Phasenleiter, welcher die primäre Windung bildet. Dieses elektrische Stromsignal ist daher Indikativ für die Stärke des Erdschlussstroms.

Die Vorrichtung 30 umfasst erste elektronische Mittel 34, welche elektrisch mit dem ersten Sensormittel 33 verbunden sind. Die ersten elektronischen Mittel 34 erzeugen ein elektrisches Auslöse-Signal, abhängig von dem elektrischen Signal, welches die Stärke des Erdschlussstroms anzeigt (sowie z.B. dasjenige, welches durch das Sensormittel 33 gesendet wird). Die Vorrichtung 30 umfasst ferner Aktuationsmittel 35, welche mit dem beweglichen Kontakt des Paars der elektrischen Kontakte 31 wirkend verbunden sind. Die Aktuationsmittel 35 produzieren, in Antwort auf elektrische Steuersignale 750, die Trennung des beweglichen Kontakts von dem entsprechenden festen Kontakt und bewirken daher die Unterbrechung der Stromleitung 32.

Die Aktuationsmittel 35 können z.B. vom elektronmagnetischen Typ (Magnetventil) sein.

Die Vorrichtung 30 umfasst zweite elektronische Mittel 20, welche ein elektrisches Signal empfangen, das den Wert des Erdschlussstroms von dem ersten Sensormittel 33 anzeigt und eine oder mehrere Steuersignale 23 erzeugen, für die Signalisierungsmittel 21. Die Signalisierungsmittel 21 sind geeignet, den Verbraucher mit Informationen zu versorgen, hinsichtlich der Stärke des erfassten Erdschlussstroms. Dementsprechend zeigen sie das Vorhandensein eines Erdschlussstroms an und versorgen den Verbraucher mit Anzeigen hinsichtlich des Ausmaßes des erfassten Erdschlussstroms.

Diese konstruktive Lösung erlaubt, die in dieser Hinsicht beschriebenen Nachteile ganz zu lösen. In der Praxis wird der Verbraucher vom Vorhandensein eines möglichen Fehlers gewarnt, bevor er das Auslösen des elektronischen Erdschlussstromgeräts bewirkt. Der Verbraucher empfängt ferner Informationen hinsichtlich der Schwere des Fehlers und daher der Wahrscheinlichkeit, dass er das Gerät 30 auslösen wird. Die resultierenden Vorteile sind erheblich. Der Benutzer kann dem Entstehen von schweren elektrischen Fehlern vorbeugen, Wartungseingriffe in der geeignetsten Weise festlegend. Ferner können alle Wartungseingriffe in einer zielgerichteten Weise durchgeführt werden, mit erheblichen Einsparungen bei Zeit und Kosten.

Vorzugsweise (1) umfassen die elektronischen Mittel 20 ein erstes Schaltkreisnetzwerk 24 zum Erzeugen, folgend auf den Empfang eines elektrischen Spannungssignals, eines oder mehrerer Logik- oder Steuersignale (benutzt als Steuersignale 23). Die elektronischen Mittel 20 umfassen vorzugsweise ein resistives Element 25 zum Erzeugen, mittels des Empfangs eines elektrischen Stromsignals, einer ersten Referenzspannung, welche proportional zu der Stärke des erfassten Erdschlussstroms ist. Ein zweiter Schaltkreisblock 26 ist auch umfasst, um abhängig von der ersten Referenzspannung ein elektrisches Spannungssignal 27 zu erzeugen. Das Signal 27 wird als Eingabe zu dem ersten Schaltkreisnetzwerk 24 geschickt, um eines oder mehrere Logiksteuersignale 23 zu erzeugen, welche zu dem Signalisierungsmittel 21 geschickt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform (2) umfasst das erste Schaltkreisnetzwerk 24 ein erstes Komparatorelement 19 zum Erzeugen eines ersten Freigabesignals V1, wenn das elektrische Spannungssignal eine voreingestellte Referenzspannung VRIFI überschreitet. Das Netzwerk 24 umfasst ferner einen ersten Schaltkreisblock 28 zum Erzeugen, folgend auf den Empfang des Freigabesignals V1, eines elektrischen Stromsignals I1. Das Stromsignal I1 wird benutzt, um ein erstes kapazitives Element 29 zu laden, welches mit Masse verbunden ist, um, über es, eine Ladespannung zu erzeugen. Ein zweites Komparatorelement 18, elektrisch verbunden mit dem ersten kapazitiven Element 29, empfängt als Eingabe die Ladespannung und erzeugt eines oder mehrere Logiksteuersignale 23, wenn die Ladespannung eine oder mehrere voreingestellte Referenzspannungen VREF überschreitet.

In der Praxis empfängt das Komparatorelement 18 als Eingabe die Ladespannung über ein kapazitives Element 29 und vergleicht mit verschiedenen Spannungsstärken VREF. Sobald eine Spannungsstärke überschritten wird, wird das Logiksteuersignal erzeugt. Als Alternative kann die Ladespannung über dem kapazitiven Element 29 als Eingabe geschickt werden, parallel zu einer Vielzahl von Komparatorelementen ähnlich zu dem Element 18. Vorteilhafterweise umfassen die Signalisierungsmittel 21 eine oder mehrere Signalisierungsgeräte vom LED (Light Emission Device)-Typ, aktiviert durch die Logiksteuersignale 23, z.B. mittels eines einfachen kombinatorischen Netzwerks. In der Praxis entspricht jedes Logiksteuersignal einer vordefinierten erfassten Erdschlussstromstärke. Wenn ein Steuersignal erzeugt wird, aktiviert es ein LED-Gerät, welches signalisiert, dass die gegebene Stärke des Erdschlussstroms erreicht wurde. Zum Beispiel ist es möglich, ein Feld von LED-Geräten zu benutzen, in welchen die Aktivierung jedes Elements einem Prozentsatz der maximal tolerierbaren Erdschlussstromstärke entspricht.

In dieser Weise kann der Verbraucher leicht das Vorhandensein, die Stärke und optional die Entwicklung über die Zeit eines Erdschlussstroms, der in der Stromleitung vorhanden ist, prüfen, bevor das Erdschlussstromgerät auslöst.

In einer bevorzugten Ausführungsform (1) umfassen die ersten elektronischen Mittel 34 erste Schaltkreismittel 36 zum Erzeugen eines elektrischen Auslöse-Signals 39 nach einem voreingestellten minimalen Zeitintervall. Es ist auch möglich, zweite Schaltkreismittel 46 zu umfassen, zum Definieren eines Minimalwerts des Erdschlussstroms, über welchem ein elektrisches Auslöse-Signal zu generieren ist, und/oder dritte Schaltkreismittel 47 zum Erzeugen eines Auslöse-Signals in eines maximalen Zeitintervalls, berechnet gemäß einer wesentlichen Beziehung von inverser Proportionalität im Hinblick auf einen Erdschlussstrom höher als der Minimalwert.

Vorteilhafterweise (wie in 3) umfassen die ersten Schaltkreismittel 36 ein zweites Schaltkreisnetzwerk 37 zum Erzeugen eines elektrischen Auslöse-Signals 39, folgend auf den Empfang eines elektrischen Stromsignals 40 als Eingabe, und einen ersten Schaltkreisblock 41 zum Senden, folgend auf den Empfang erster und zweiter Freigabesignale (Bezugszeichen 420 und 430), eines elektrischen Stromsignals 40 als Eingabe an das Schaltkreisnetzwerk 37. Der Schaltkreisblock 41 ist auch dazu bestimmt, folgend auf den gescheiterten Empfang der Freigabesignale 420 und 430, eine Vorentladung des Schaltkreisnetzwerks 37 auszuführen. Dies kann auftreten durch Senden eines geeigneten Stromsignals 40 an das Schaltkreisnetzwerk 37 als Eingabe. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Schaltkreisnetzwerk 37 ein zweites kapazitives Element 42, das mit Masse verbunden ist. Das kapazitive Element 42 wird geladen entladen durch ein elektrisches Stromsignal 40, welches durch den ersten Schaltkreisblock 41 gesendet wird. Das Schaltkreisnetzwerk 37 kann ferner ein drittes Komparatorelement 43 umfassen, das elektrisch mit dem kapazitiven Element 42 verbunden ist und das Komparatorelement empfängt als Eingabe die Ladespannung über dem kapazitiven Element 42 und erzeugt ein elektrisches Auslöse-Signal 39, wenn die Ladespannung eine vorher festgesetzte Referenzspannung VRIF3 überschreitet.

Vorteilhafterweise umfassen die zweiten Schaltkreismittel 46 ein resistives Kalibrierungselement 620 zum Erzeugen (4), mittels des Empfangs eines elektrischen Stromsignals 62, einer ersten Referenzspannung 48, welche proportional zu der minimalen Stärke des Erdschlussstroms ist. Die dritten Schaltkreismittel umfassen vorteilhafterweise ein drittes kapazitives Element 49, das mit Masse verbunden ist, und einen dritten Schaltkreisblock 50. Der dritte Schaltkreisblock 50 ist entworfen, ein elektrisches Stromsignal 51 zu dem kapazitiven Element 49 zu senden, abhängig von der zweiten Referenzspannung 48, um eine Ladespannung über dem kapazitiven Element 49 zu erzeugen, wenn ein Erdschlussstrom höher als die Minimalstärke vorhanden ist. Wenn ein Erdschlussstrom höher als die Minimalstärke nicht vorhanden ist, wird das Signal 51 gesendet, um das kapazitive Element 49 zu entladen. Vorteilhafterweise stellt der dritte Schaltkreisblock 50, abhängig von der zweiten Referenzspannung 48, ein erstes Logiksignal bereit, welches als Freigabesignal 420 benutzt wird.

Die dritten Schaltkreismittel 46 können ferner ein viertes Komparatorelement 52 umfassen, welches mit dem kapazitiven Element 49 verbunden ist. Das Komparatorelement 52 empfängt als Eingabe die Ladespannung über dem kapazitiven Element 49 und erzeugt ein zweites Logiksignal, welches als Freigabesignal 430 benutzt wird, wenn die Ladespannung eine voreingestellte Referenzspannung (RIF4) überschreitet.

Noch mit Bezugnahme auf 3 wird der Betrieb der ersten, zweiten und dritten Schaltkreismittel, die in dem elektronischen Erdschlussstromgerät gemäß der Erfindung beinhaltet sind, in größerem Detail beschrieben.

Der Kalibrierungswiderstand 620 erzeugt eine Referenzspannung, abhängig von welchem der Schaltkreisblock 50 das kapazitive Element 49 lädt. Insbesondere, wenn die Referenzspannung das Vorhandensein einer Stärke des Erdschlussstroms anzeigt, welche höher als der Minimalwert ist, startet der Block 50 den Ladeprozess, so dass die Ladezeit invers proportional zu dem erfassten Erdschlussstrom ist. Nachdem das Laden beendet wurde (Freigabesignal 430) und wenn ein genügend hoher Erdschlussstrom noch vorhanden ist (Freigabesignal 420), lädt der Block 41 das kapazitive Element 42. Um eine konstante Ladezeit zu gewährleisten, tritt das Laden in linearer Weise auf, welches nicht proportional zu dem erfassten Erdschlussstrom ist. In dieser Weise wird ein minimales Zeitintervall, nachdem das elektrische Auslöse-Signal 39 erzeugt wird, gesetzt. Die beschriebenen konstruktiven Lösungen sind besonders vorteilhaft, da sie während des Entwurfs die gesamte Auslösekennlinie des elektronischen Erdschlussstromgeräts voreinzustellen erlauben.

Das maximale Zeitintervall für das Auslösen wird tatsächlich durch die Summe der Ladezeiten der kapazitiven Elemente 49 und 42 definiert. Auf der anderen Seite wird für Erdschlussstromstärken, die relativ höher als die nominale Stärke sind, die Ladezeit des kapazitiven Elements 49 vernachlässigbar, während die Ladezeit des kapazitiven Elements 42 konstant bleibt. Dementsprechend wird eine minimale Auslöse-Zeit gesetzt. Schließlich erlaubt der Kalibrierungswiderstand 26, den minimalen Auslöse-Strom zu bestimmen, durch Erzeugen der Referenzspannung 48. Die Auslösekennlinie des elektronischen Erdschlussstromgeräts kann daher ganz während des Entwurfs definiert werden. Dementsprechend ist es möglich im Voraus die Auslöse-Eigenschaften des elektronischen Erdschlussstromgeräts zu entscheiden, was es erlaubt, besser die Anforderungen des elektrischen Verbrauchers zu erfüllen.

Es ist auch sehr wichtig, dass ein Vor-Entladen der kapazitiven Elemente 49 und 42 durchgeführt wird, wenn die Bedingungen zum Erzeugen eines elektrischen Auslöse-Signals nicht auftreten, gemäß den beschriebenen Kriterien.

Dies erlaubt tatsächlich unerwünschtes Auslösen (unzeitiges Auslösen) zu vermeiden, welches durch Akkumulation von Ladung in den kapazitiven Elementen 49 und 42 verursacht wird. Das Vorhandensein von akkumulierter Ladung würde tastsächlich die Ladezeiten der kapazitiven Elemente 42 und 49 verkürzen und daher wäre es nicht länger möglich, ein voreingestelltes minimales Zeitintervall zu gewährleisten, nach dem Auslösen stattfinden soll.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfassen die ersten elektronischen Mittel 34 vierte Schaltkreismittel 60 (4) zur Bildung einer Schnittstelle mit den ersten Sensormitteln 33. Die vierten Schaltkreismittel 60 empfangen von den ersten Sensormitteln 33 ein elektrisches Signal 61, welches die Stärke des Erdschlussstroms anzeigt und erzeugen ein elektrisches Stromsignal 62, welches die absolute Stärke des Erdschlussstroms anzeigt. Vorteilhafterweise umfassen die Schaltkreismittel 60 einen Niederimpedanzschaltkreisblock 63, welcher elektrisch mit den ersten Sensormitteln 33 verbunden ist, um ihren linearen Betrieb sicherzustellen. Ein Schaltkreisblock 64 wird ferner umfasst und ist elektrisch mit dem Schaltkreisblock 63 verbunden, um das elektrische Signal zu empfangen, welches die Stärke des Erdschlussstroms anzeigt und um ein elektrisches Stromsignal 62 zu erzeugen, welches den absoluten Wert des erfassten Erdschlussstroms anzeigt.

Das elektrische Stromsignal 62 wird als Eingabe an den Kalibrierungswiderstand 620 geschickt, um eine Referenzspannung 48 zu erzeugen.

Vorteilhafterweise wird ein filternder Schaltkreisblock 65 umfasst, welcher mit Mitteln zum Eliminieren von hochgradigem Geräusch (Schutzdioden) und/oder hochfrequentem Geräusch (ein RC-Netzwerk) versehen ist. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da sie erlaubt, die Leistungsfähigkeit der Sensormittel 33 zu optimieren, insbesondere wenn, wie in der Praxis häufig auftritt, diese einen Stromwandler umfassen. In diesem Fall kann die sekundäre Windung des Stromswandlers unter ihren im Wesentlichen idealen Bedingungen betrieben werden (d.h. nahe der Kurzschlussbedingung).

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die ersten elektronischen Mittel 34 fünfte Schaltkreismittel 70 zum Erzeugen eines elektrischen Auslöse-Signals, wenn die ersten Sensormittel 33 nicht funktionieren. Unter Bezugnahme auf 5 umfassen die Schaltkreismittel 70 vorteilhafterweise einen sechsten Schaltkreisblock 71 zum Messen vorher definierter physikalischer Parameter, welche den Betriebszustand der ersten Sensormittel anzeigen. Zum Beispiel, wenn die Sensormittel einen Stromwandler umfassen, ist es möglich, den äquivalenten Widerstand der zweiten Wicklung des Wandlers zu messen. Wenn die Werte der physikalischen Parameter nicht innerhalb eines voreingestellten Bereichs liegen, erzeugt der Schaltkreisblock 71 ein drittes Freigabesignal 72 für einen siebten Block 73, welche elektrisch mit dem ersten Schaltkreisnetzwerk 37 verbunden ist. Der Schaltkreisblock 73 erzeugt, folgend auf den Empfang eines Freigabesignals 72, ein elektrisches Stromsignal 40, welches als Eingabe an das erste Schaltkreisnetzwerk 37 geschickt werden soll, um ein elektrisches Auslöse-Signal 39 zu erzeugen.

Diese konstruktive Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da sie es erlaubt, die Möglichkeit eines Ausfall des elektronischen Erdschlussstromgeräts zu vermeiden, z.B. auf Grund möglicher Beschädigungen, welche während des Zusammenbaus der Sensormittel 33 erlitten wurden.

Wieder mit Bezugnahme auf 1 sind die Aktuationsmittel vorteilhafterweise mit sechsten Schaltkreismitteln 75 verbunden, welche geeignet sind, ein elektrisches Auslöse-Signal 39 zu empfangen und eines oder mehrere elektrische Steuersignale 750 zum Aktivieren der Aktuationsmittel zu erzeugen. Die sechsten Schaltkreismittel 75 umfassen, z.B., einen Schaltkreisblock (nicht gezeigt), der mit einer Ausgabestufe vom Latch-Typ versehen ist, welcher zwei stabile Betriebszustände besitzt.

Die sechsten Schaltkreismittel 74 umfassen vorteilhafterweise eine oder mehrere elektronische Schaltkreise (z.B. eine geeignete konfigurierte Transistorstufe), welche einen relativ hohen Ausgabestrom sicherstellen.

In dieser Weise ist es möglich, Aktuationsmittel eines unterschiedlichen Typs zu treiben, ohne die ersten elektronischen Mittel 36 wesentlich zu modifizieren.

Vorteilhafterweise umfasst das elektronische Erdschlussstromgerät gemäß der Erfindung dritte elektronische Mittel, welche elektrisch verbunden sind mit der Stromleitung 32, um eine Versorgungsspannung an den ersten und/oder zweiten elektronischen Mitteln 34 und 91 bereitzustellen.

Unter Bezugnahme auf 6 können die dritten elektronischen Mittel 130 eine Gleichrichterstufe 131 (z.B. eine Diodenbrücke) umfassen, welche mit einer Filterstufe 132 (z.B. ein RC-Netzwerk) verbunden ist, welches seinerseits verbunden ist mit einer Regulierungsstufe 133, geeignet, um die verschiedenen Spannungsstärken (Bezugszeichen 134) bereitzustellen, die benutzt werden, um die verschiedenen Komponenten zu versorgen oder für die Spannungsreferenzen (sowie z.B. die Referenzspannungen VRIF, VRIF1, etc.).

In der Praxis wurde gefunden, dass das Erdschlussstromgerät gemäß der Erfindung das intendierte Ziel und die Aufgaben ganz erreicht.

Ferner wurde sichergestellt, dass das elektronische Erdschlussstromgerät gemäß der Erfindung leicht bei niedrigen Kosten herzustellen ist. Insbesondere können die ersten und/oder zweiten und/oder dritten elektronischen Mittel in einen mikroelektronischen Halbleiterschaltkreis integriert sein, insbesondere in einen Schaltkreis vom ASIC (Application-Specific Integrated Circuit)-Typ oder in einem Mikrocontroller. Dies erlaubt, den Platzbedarf erheblich zu reduzieren, während Herstellungskosten reduziert werden und die Betriebszuverlässigkeit verbessert wird.


Anspruch[de]
  1. Elektronisches Erdschlussschutzsystem (30) für eine Niederspannungsleitung (32), umfassend:

    – einen beweglichen Kontakt (31) und einen festen Kontakt (31), welche wechselseitig gekoppelt/entkoppelt werden können; und

    – erste Sensormittel (33) zum Erfassen eines Erdschlussstroms und zum Erzeugen eines elektrischen Signals, welches die Stärke des Erdschlussstroms anzeigt; und

    – erste elektronische Mittel (34), welche elektrisch verbunden sind mit den ersten Sensormitteln (33), um auf der Basis eines elektrischen Signals, welches die Stärke des Erdschlussstroms anzeigt, ein elektrisches Auslöse-Signal zu erzeugen; und

    – Aktuationsmittel (35), wirkend verbunden mit den beweglichen Kontakten (31), um in Antwort auf elektrische Steuersignale, die Trennung des beweglichen Kontakts (31) von dem festen Kontakt (31) auszuführen;

    – zweite elektronische Mittel (20) zum Steuern, abhängig von dem elektrischen Signal, welches die Stärke des Erdschlussstroms anzeigt, von Signalisierungsmitteln (21), welche geeignet sind, einen Verbraucher mit Informationen hinsichtlich der Stärke des erfassten Erdschlussstroms zu versorgen, wobei die zweiten elektronischen Mittel (20) ein erstes Schaltkreisnetzwerk (24) zum Erzeugen eines oder mehrerer Logiksteuersignale (23) umfassen, folgend auf den Empfang eines elektrischen Spannungssignals;

    – dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltkreisnetzwerk (24) umfasst:

    – ein erstes Komparatorelement (19) zum Erzeugen eines ersten Freigabesignals (V1), wenn das elektrische Spannungssignal (27) eine voreingestellte Referenzspannung (VRIF1) überschreitet;

    – einen ersten Schaltkreisblock (28) zum Erzeugen eines elektrischen Stromsignals (I1) folgend auf das Empfangen eines ersten Freigabesignals (V1);

    – ein erstes kapazitives Element (29), welches mit Masse verbunden ist und geladen wird durch ein elektrisches Stromsignal als Eingabe, um eine Ladespannung zu erzeugen;

    – ein zweites Komparatorelement (18), welches elektrisch mit dem ersten kapazitiven Element (29) verbunden ist, empfängt als Eingabe die Ladespannung und erzeugt eines oder mehrere Logiksteuersignale (23), wenn die Ladespannung eine voreingestellte Referenzspannung überschreitet, wobei jedes Logiksteuersignal (23) einer vordefinierten Erdschlussstromstärke entspricht.
  2. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektronische Mittel (20) umfasst:

    – ein resistives Element (24) zum Erzeugen einer ersten Referenzspannung mittels des Empfangs eines elektrischen Stromsignals, welche proportional zu dem Wert des Erdschlussstroms ist;

    – einen zweiten Schaltkreisblock (26) zum Erzeugen, abhängig von der ersten Referenzspannung, eines elektrischen Spannungssignals (27), welches als Eingabe an das erste Schaltkreisnetzwerk (24) geschickt werden soll, um eines oder mehrere Logiksteuersignale (23) zu erzeugen, welche zu den Signalisierungsmitteln (21) geschickt werden sollen.
  3. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektronische Mittel (34), das geeignet ist, das elektrische Auslöse-Signal zu erzeugen, umfasst:

    – erste Schaltkreismittel (36) zum Erzeugen eines elektrischen Auslöse-Signals (39) nach einem voreingestellten minimalen Zeitintervall; und/oder

    – zweite Schaltkreismittel (46) zum Definieren eines minimalen Werts des Erdschlussstroms, wobei ein elektrisches Auslöse-Signal für Erdschlussstromwerte höher als der Minimalwert erzeugt wird; und/oder

    – dritte Schaltkreismittel (47) zum Erzeugen eines Auslöse-Signals innerhalb eines maximalen Zeitinveralls, berechnet gemäß einer wesentlichen Relation von inverser Proportionalität im Hinblick auf einen allgemeinen Stromwert höher als der Minimalwert.
  4. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektronischen Mittel (34) ein zweites Schaltkreisnetzwerk (37) umfassen, zum Erzeugen des elektrischen Auslöse-Signals (39), folgend auf den Empfang eines elektrischen Stromsignals (40) als Eingabe.
  5. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltkreisnetzwerk (37) umfasst:

    – ein zweites kapazitives Element (42), welches mit Masse verbunden ist und durch ein elektrisches Stromsignal (40) als Eingabe geladen wird, um eine Ladespannung zu erzeugen;

    – ein drittes Komparatorelement (43), welches elektrisch verbunden ist mit dem zweiten kapazitiven Element (43), empfängt als Eingabe die Ladespannung und erzeugt das elektrische Auslöse-Signal (39), wenn die Ladespannung eine voreingestellte Referenzspannung beschreibt.
  6. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltkreismittel (46) ein resistives Kalibrierungselement (620) umfasst zum Erzeugen einer zweite Referenzspannung, mittels des Empfangs des elektrischen Stromsignals (62), welche proportional zu dem Minimalwert des Erdschlussstroms ist.
  7. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Schaltkreismittel (47) umfasst:

    – ein drittes kapazitives Element (49), welches mit Masse verbunden ist; und

    – einen dritten Schaltkreisblock (50) zum:

    – Senden eines elektrischen Stromsignals (51) an das dritte kapazitive Element (49), abhängig von der ersten Referenzspannung, um eine Ladespannung über das dritte kapazitive Element (49) zu erzeugen, wenn ein Erdschlussstromwert höher als der Minimalwert vorhanden ist und das dritte kapazitive Element (49) zu entladen, wenn ein Erdschlussstrom höher als der Minimalwert nicht vorhanden ist; und

    – Bereitstellen eines ersten Logiksignals (420) abhängig von der ersten Referenzspannung;

    – ein viertes Komparatorelement (42), welches an ein drittes kapazitives Element (49) gekoppelt ist, empfängt als Eingang die Ladespannung über dem dritte kapazitiven Element (49) und erzeugt ein zweites Logiksignal, wenn die Ladespannung eine Referenzspannung überschreitet.
  8. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schaltkreismittel (36) einen vierten Schaltkreisblock (60) umfassen, zum Erzeugen eines elektrischen Stromsignals, folgend auf den Empfang von ersten und zweiten Freigabesignalen, das als Eingabe an das erste Schaltkreisnetzwerk (24) geschickt werden soll, um ein elektrisches Auslöse-Signal zu erzeugen.
  9. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Logiksignal jeweils als erste und zweite Freigabesignale für den vierten Schaltkreisblock (60) benutzt werden.
  10. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektronischen Mittel (34) vierte Schaltkreismittel (60) umfassen, um eine Schnittstelle zu bilden mit dem ersten Sensormittel (33), wobei die vierten Schaltkreismittel (60) von den ersten Sensormitteln (33) das elektrische Signal (61) empfangen, welches den Wert des Erdschlussstroms anzeigt und ein elektrisches Stromsignal (62) erzeugen, welches den absoluten Wert des Erdschlussstroms anzeigt.
  11. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektronischen Mittel (34) fünfte Schaltkreismittel (70) zum Erzeugen eines elektrischen Auslöse-Signals umfassen, wenn die ersten Sensormittel (33) nicht funktionieren.
  12. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuationsmittel (35) elektrisch mit den sechsten Schaltkreismitteln (75) verbunden sind, welche geeignet sind, ein elektrisches Auslöse-Signal (39) von den ersten Schaltkreismitteln (36) zu empfangen und eines oder mehrere elektrische Steuersignale (750) zum Aktivieren der Aktuationsmittel (35) zu erzeugen.
  13. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es dritte elektronische Mittel (130) umfasst, welche elektrisch mit der Niederspannungsstromleitung (32) verbunden sind, um einen Versorgungsstrom an den ersten und/oder zweiten elektronischen Mitteln (34, 20) bereitzustellen.
  14. Elektronisches Erdschlussschutzgerät (30) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten und/oder dritten elektronischen Mittel (34, 20, 130) in einem oder mehreren mikroelektronischen Halbleiterschaltkreisen integriert sind.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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