DE19654469A1

DE19654469A1 - Fehlerstrom-Schutzschalter

Info

Publication number: DE19654469A1
Application number: DE19654469A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Mayer; Hans-Ulrich Meier; Rudolf Schaffner; Gerhard Schneider; Willy Schwarz
Original assignee: CMC CARL MAIER and CIE AG SCHAFFHAUSEN CH; CMC Carl Maier and Cie AG
Current assignee: CMC CARL MAIER and CIE AG SCHAFFHAUSEN CH; ABB CMC Carl Meier AG
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 1998-07-02
Also published as: EP0851450A3; EP0851450B1; ATE294450T1; DE59712285D1; EP0851450A2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schutz schalter) nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 Ein solcher FI-Schutzschalter enthält im wesentlichen ein Auslösesystem mit einem im allgemeinen als Summen stromwandler ausgebildeten Fehlerstromsensor und einem überwiegend als Magnet auslöser ausführten Auslöser, eine in einem Stromkreis angeordnete Kontaktanordnung und ein vorzugsweise als Schaltschloß ausgeführtes Antriebssystem zum Öffnen der Kontaktanordnung beim Auftreten eines Fehlerstroms im Stromkreis.

STAND DER TECHNIK

Die Erfindung nimmt auf einen Stand der Technik von FI-Schaltern Bezug, wie er im Sonderdruck aus "etz" Heft Nr. 13 (1984) "Fehlerstrom-Schutzschalter: Konstruktive Lösungen, Entwicklungstendenzen und Grundsätze für ihre Anwendungen" Dr.J.Feitknecht c/o CMC, Schaffhausen, beschrieben ist. Die in diesem Stand der Technik beschriebenen FI-Schutzschalter weisen im allgemeinen netzspannungs unabhängige Magnetauslöser aus, können aber auch mit elektronisch wirkenden Auslösern mit einem netzspannungsgespeisten Verstärker und einem dem Verstärker nachgeschalteten Auslösemagneten ausgerüstet sein. Gemäß dem vorgenannten Stand der Technik dürfte die Ausfallwahrscheinlichkeit von handelsüblichen FI- Schutzschaltern nach jahrelangem Einsatz bei 1 bis 3% liegen.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen FI-Schalter zu schaffen, welcher sich trotz relativ einfachen Aufbaus und einer hohen Ansprechempfindlichkeit durch große Zuverlässigkeit auszeichnet.

Der FI-Schutzschalter nach der Erfindung ist aus einfach herstellbaren oder problemlos erhältlichen Komponenten aufgebaut, benötigt zum sicheren Abschalten nur sehr geringe Fehlerstromsignale und zeichnet sich dennoch durch eine gegenüber handels üblich erhältlichen FI-Schutzschaltern wesentlich erhöhte Zuverlässigkeit aus. Dies ist vor allem dadurch bedingt, daß die Redundanz des FI-Schutzschalters nach der Erfindung durch mindestens zwei unabhängig voneinander arbeitende Auslösesysteme und/oder Antriebe erhöht wird. Fällt eines der beiden Auslösesysteme aus, so tritt das andere oder gegebenenfalls sogar ein drittes Auslösesystem an dessen Stelle. Fällt einer der gegebenenfalls vorgesehenen zwei Antriebe aus, so tritt der andere der beiden Antriebe an die Stelle des defekten Antriebs. Eine weitere Steigerung der Redundanz wird erreicht, wenn sowohl mindestens zwei unabhängig voneinander arbeitende Auslösesysteme als auch mindestens zwei unabhängig voneinander arbeitende Antriebe vorgesehen sind.

Eine besonders große Zuverlässigkeit zeichnet einen FI-Schutzschalter nach der Erfindung aus, wenn die Auslösesysteme und/oder die mindestens zwei Antriebe nach unterschiedlichen Technologien ausgebildet sind. Enthält beispielsweise ein Primärauslösesystem einen Magnetauslöser, so kann auch bei Bruch des Neutralleiters des zu schützenden Stromkreises noch mit Sicherheit abgeschaltet werden. Ist in einem Sekundärauslösesystem ein elektronisch wirkender Auslöser vorgesehen, so können in besonders einfacher Weise durch atmosphärische Einflüsse, wie Oxidation, Korrosion oder Feuchtigkeit, hervorgerufene Beeinträchtigungen des FI-Schutzschalters wesentlich herabgesetzt werden. Der FI-Schutzschalter nach der Erfindung kann dann auch in aggressiver Atmosphäre noch nach Jahren mit großer Sicherheit abschalten.

Die Redundanz des Fehlerstromschalters nach der Erfindung wird zusätzlich verbessert, wenn jedes Auslösesystem einen vorzugsweise als Summenstromwandler ausgebildeten separaten Fehlerstromsensor aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des FI-Schutzschalters nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des FI-Schutzschalters nach der Erfindung,

Fig. 3 eine stark vereinfachte Darstellung eines das Auslöse- und das Antriebssystem enthaltenden Teils der FI-Schutzschalter gemäß den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform des FI-Schutzschalters nach der Erfindung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform des FI-Schutzschalters nach der Erfindung, und

Fig. 6 eine stark vereinfachte Darstellung eines das Auslöse- und das Antriebssystem enthaltenden Teils des FI-Schutzschalter gemäß Fig. 5.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In allen Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile. In Fig. 1 bezeichnet R einen oder mehrere spannungsführende Leiter L₁, L₂, L₃,. . . und N einen Neutralleiter eines ein- oder mehrphasigen elektrischen Niederspannungsnetzes. Diese beiden Leiter versorgen einen in einem nicht dargestellten Stromkreis angeordneten Verbraucher mit elektrischer Energie. Tritt in diesem Stromkreis, etwa infolge einer mangelhaften Isolation, ein Fehlerstrom, etwa ein Erdstrom, auf, so wird dieser Fehlerstrom von zwei als Fehlerstromsensoren wirkenden Summenstrom wandlern 1, 2 eines FI-Schutzschalters erfaßt. Jeder der Summenstromwandler 1, 2 bildet ein Ausgangssignal, welches vom Summenstromwandler 1 einem Auslöser 3 und vom Summenstromwandler 2 einem Auslöser 4 zugeführt wird. Summenstromwandler 1 und Auslöser 3 bilden ein Primärauslösesystem. Summenstromwandler 2 und Auslöser 4 bilden ein Sekundärauslösesystem. Beide Auslösesysteme wirken auf ein gemein sames Eingangsglied 5 eines als Schaltschloß 6 ausgeführten Antriebssystems. Das Schaltschloß 6 seinerseits wirkt auf eine Kontaktanordnung 7 des FI-Schutzschalters. Der FI-Schutzschalter enthält ferner einen nicht dargestellten Testkreis, mit dem die beiden Auslösesysteme zum Ansprechen gebracht werden können. Gegebenenfalls sind auch Anzeigen zur Signalisierung der Funktion des Primär- und des Sekundär auslösesystems vorgesehen. Eine weitere Anzeige kann ansprechen, wenn das Primärauslösesystem beim Auftreten eines Fehlerstroms nicht ansprechen sollte.

Die Auslöser 3 und 4 sind nach unterschiedlichen Technologien ausgebildet. Der Auslöser 3 ist ein Magnetauslöser. Der Auslöser 4 wirkt weitgehend elektronisch und enthält eine netzgespeiste Verstärker- und Auswerteschaltung 8 sowie ein der Verstär ker- und Auswerteschaltung 8 nachgeschaltetes, elektromechanisch wirkendes Auslöseelement, beispielsweise einen Elektromagneten 9 mit einem schließbaren magnetischen Kreis. Die Verstärker- und Auswerteschaltung kann mit einer Selbstüber wachung ausgerüstet sein und kann zusätzlich ein vorzugsweise in Funktion des Fehlerstroms verzögerndes Verzögerungselement enthalten. Die Verzögerungszeit des Verzögerungselementes ist mit Vorteil größer zu bemessen als die Ansprechzeit des Primärauslösesystems, da dann sichergestellt ist, daß das Sekundärauslösesystem erst dann anspricht, wenn das Primärauslösesystem versagt (Wirkung des Sekundär auslösesystems als Backup-System). Das Primärauslösesystem enthält gegebenenfalls auch ein als netzspannungsunabhängige Auslöseverzögerung wirkendes passives Netzwerk.

Aus Kosten- und Platzersparnisgründen kann wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dargestellt ist der Summenstromwandler 2 weggelassen werden. Der Summenstrom wandler 1 weist dann zwei Signalausgänge auf, von denen einer in den Magnetauslö ser 3 und ein anderer in die Verstärker- und Auswerteschaltung 8 des elektronisch wirkenden Auslösers 4 einspeist.

Die Wirkungsweise der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen des FI-Schutzschalters nach der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auch auf die Fig. 3 erläutert:

Beim Auftreten eines Fehlerstroms werden über die Summenstromwandler 1 und 2 (Fig. 1) bzw. werden über die beiden Ausgänge des Summenstromwandlers 1 (Fig. 2) Fehlerstromsignale in das Primär- wie auch in das Sekundärauslösesystem eingespeist. Der aus Fig. 3 ersichtliche Magnetauslöser 3 löst aus und dreht mit seinem nach oben geführten Anker 10 das als Klinkenhebel 11 ausgebildete Eingangsglied 5 des Schaltschlosses 6 im Uhrzeigersinn um eine feststehende Achse. Eine am Klinkenhebel befestigte Klinke gibt dann einen um eine feststehende Achse drehbar gelagerten und mit einer Vorspannkraft im Gegenuhrzeigersinn gegen die Klinke geführten Hebel 12 frei. Die Vorspannkraft wird von einer Druckfeder 13 erzeugt. Diese Feder wirkt mit einem Ende auf ein um eine feststehende Achse drehbares Kontakt stück 14 der Kontaktanordnung 7 und mit dem anderen Ende über ein Kniehebelsystem 15 auf den Hebel 12 und auf einen um eine feststehende Achse drehbaren Handhebel 16. Unter der Wirkung der vorgespannten Feder 13 werden der Handhebel 16 und das Kontaktstück 14 in die in Fig. 3 gestrichelt dargestellte Position geführt, in der der FI- Schutzschalter geöffnet und der Fehlerstrom abgeschaltet ist. Sollte das Primäraus lösesystem nicht ansprechen, da der Summenstromwandler 1 oder der Auslöser 3 defekt sind, so spricht der Auslöser 4 mit der vorgegebenen Zeitverzögerung an. Oberhalb eines vorgebbaren Schwellwertes des Fehlerstroms wird ein in der Verstärker- und Auswerteschaltung 8 gebildetes leistungsstarkes Auslösesignal an den Elektromagneten 9 geführt. Durch dieses Signal wird der offene magnetische Kreis des Elektromagneten geschlossen und über einen hierbei bewegten Anker 17 auf den als Eingangsglied 5 des Schaltschlosses wirkenden Klinkenhebel eingewirkt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird die Redundanz der FI-Schutzschalter gemäß den Fig. 1 bis 3 zusätzlich noch dadurch erhöht, daß das Primäraus lösesystem auf das Schaltschloß 6 und das Sekundärauslösesystem auf ein davon unabhängiges Schaltschloß 18 wirkt. Fällt beispielsweise das Schaltschloß 6 aus, so wird über das verzögert ansprechende Sekundärauslösesystem das Schaltschloß 18 geöffnet. Eine noch größere Redundanz kann dadurch erreicht werden, daß sowohl das Primär- als auch das Sekundärauslösesystem auf beide Schaltschlösser 6, 18 einwirken.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 wird die Ansprechempfindlichkeit der FI-Schutzschalter nach den Fig. 1 bis 4 zusätzlich erhöht. Zu diesem Zweck ist dem Auslöser 3 ein mechanischer Kraftverstärker 19 nachgeschaltet. Gemäß Fig. 6 weist dieser Verstärker einen federbelasteten einarmigen Hebel 20 auf mit einem auf das Eingangsglied 5 wirkenden freien Ende sowie einen zweiarmigen Klinkenhebel 21 mit einem kurzen und mit einem langen Arm. Der lange Arm des Klinkenhebels 21 wirkt mit einem Ausgang des Magnetauslösers 3 und der als Klinke 22 ausgebildete kurze Arm mit dem freien Ende des federbelasteten Hebels 20 zusammen. Auf das Eingangs glied 5 wirkt auch der Anker 17 des Elektromagneten 9.

Gemäß Fig. 5 ist das Eingangsglied 5 Teil eines mechanischen Kraftverstärkers 23, welcher Teil des Schaltschlosses 6 ist. Gemäß Fig. 6 weist der Verstärker 23 einen mit einer Feder 24 belasteten, zweiarmig ausgebildeten Klinkenhebel 25 auf. Ein kürzerer beider Arme trägt eine mit dem Hebel 12 des Schaltschlosses 6 zusammenwirkende Klinke 26. Der längere beider Arme des Klinkenhebels 25 bildet das Eingangsglied 5.

Beim Auftreten eines Fehlerstroms wird entsprechend den zuvor beschriebenen Ausführungsformen zunächst der Anker 10 des Magnetauslöser 3 aktiviert und gegen den langen Arm des Klinkenhebels 21 geführt. Der Klinkenhebel 21 bewegt sich im Uhrzeigersinn. Da die Klinke am kurzen Arm des Klinkenhebels 21 befestigt ist, kann die Klinke 22 den mit einer starken Feder 27 belasteten Hebel 20 auslösen. Der Hebel 20 wirkt nun mit einer gegenüber dem mechanischen Ausgangssignal des Magnetaus lösers 3 wesentlich verstärkten Kraft auf das Eingangsglied 5 des Verstärkers 23. Da das Eingangsglied 5 den längeren Arm des Klinkenhebels 25 bildet, kann die am kürzeren als Klinke 26 ausgeführten Arm des Klinkenhebels 25 wirkende Feder 24 stark bemessen sein und der Hebel 12 des Schaltschlosses 6 die Klinke 26 mit großer Vorspannkraft beaufschlagen. Die Feder 13 kann daher äußerst stark ausgebildet sein und ermöglicht so einen sicheren Betrieb des Schaltschlosses 6.

Fällt der Auslöser 3 aus, so spricht mit der vorgegebenen Zeitverzögerung der Auslöser 4 an. Durch geeignete Bemessung der netzgespeisten Verstärker- und Auswerte schaltung 8 wird ein ausreichend starkes Auslösesignal gebildet, welches ausreicht, um über das Eingangsglied 5 die Klinke 26 zu öffnen und das Schaltschloß 6 auszulösen.

Bezugszeichenliste

1,

2

Summenstromwandler

3,

4

Auslöser

5

Eingangsglied

6

Schaltschloß

7

Kontaktanordnung

8

Verstärker- und Auswerteschaltung

9

Elektromagnet

10

Anker

11

Klinkenhebel

12

Hebel

13

Feder

14

Kontaktstück

15

Kniehebelsystem

16

Handhebel

17

Anker

18

Schaltschloß

19

mechanischer Kraftverstärker

20,

21

Klinkenhebel

22

Klinke

23

mechanischer Kraftverstärker

24

Feder

25

Klinkenhebel

26

Klinke

27

Feder

Claims

1. Fehlerstrom-Schutzschalter mit einem mindestens einen Fehlerstromsensor (1, 2) und mindestens einen Auslöser (3, 4) enthaltenden Auslösesystem, einer in einem ein- oder mehrphasigen Stromkreis (R, N) angeordneten Kontakt anordnung (7) und einem beim Auftreten eines Fehlerstroms vom Auslösesystem auslösbaren und auf die Kontaktanordnung (7) wirkenden Antriebssystem (6, 18), dadurch gekennzeichnet, daß das Auslösesystem ein Primärauslösesystem und mindestens ein unabhängig davon arbeitendes Sekundärauslösesystem enthält, und/oder daß das Antriebssystem mit zwei unabhängig voneinander arbeitenden und vorzugsweise jeweils als Schaltschloß (6, 18) ausgeführten Antrieben versehen ist.

2. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Sekundärauslösesystem nach einer anderen Technologie ausgebildet ist als das Primärauslösesystem.

3. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärauslösesystem einen Magnetauslöser (3) enthält.

4. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetauslöser (3) ein als netzspannungsunabhängige Auslöseverzö gerung wirkendes passives Netzwerk vorgeschaltet ist.

5. Fehlerstrom-Schutzschalter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetauslöser (3) ein mechanischer Kraftverstärker (19) nachgeschaltet ist.

6. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Kraftverstärker (19) einen federbelasteten Hebel (20) mit einem auf ein Eingangsglied (5) des Antriebssystems wirkenden freien Ende aufweist sowie einen zweiarmigen Klinkenhebel (21) mit einem kurzen und mit einem langen Arm,- dessen langer Arm mit einem Ausgang des Magnetauslösers (3) und dessen als Klinke (22) ausgebildeter kurzer Arm mit dem freien Ende des federbelasteten Hebels (20) zusammenwirkt.

7. Fehlerstrom-Schutzschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im mindestens einen Sekundärauslösesystem ein elektronisch wirkender Auslöser (4) vorgesehen ist.

8. FI-Schutzschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronisch wirkenden Auslöser (4) eine netzgespeiste Verstärker- und Auswerteschaltung (8) enthält.

9. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker- und Auswerteschaltung (8) zusätzlich ein vorzugsweise in Funktion des Fehlerstroms verzögerndes Verzögerungselement enthält.

10. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit des Verzögerungselementes größer bemessen ist als die Ansprechzeit des Primärauslösesystems.

11. Fehlerstrom-Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärauslösesystem und das mindestens eine Sekundärauslösesystem auf ein gemeinsames Eingangsglied (5) des Antriebssystems wirken.

12. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsglied ein Klinkenhebel (11, 25) ist.

13. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Klinkenhebel (25) Teil eines mechanischen Verstärkers (23) ist.

14. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Klinkenhebel (25) mit einer Feder (24) belastet und zweiarmig ausgebildet ist, wobei ein kürzerer beider Arme eine mit einem vorgespannten Hebel (12) zusammenwirkende Klinke (26) trägt und ein längerer beider Arme das Eingangsglied (5) des Antriebssystems bildet.

15. Fehlerstrom-Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärauslösesystem und das mindestens eine Sekundärauslösesystem jeweils auf einen der zwei Antriebe wirken.

16. Fehlerstrom-Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärauslösesystem einen vorzugsweise als Summenstromwandler (1) ausgebildeten ersten Fehlerstromsensor und das mindestens eine Sekundärauslösesystem mindestens einen vorzugsweise ebenfalls als Summenstromwandler (2) ausgebildeten zweiten Fehlerstromsensor aufweist.

17. Fehlerstrom-Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärauslösesystem und das mindestens eine Sekundärauslösesystem einen vorzugsweise als Summenstromwandler (1) ausgebildeten gemeinsamen Fehlerstromsensor aufweisen.