DE3723568C2 - 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 wird 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, Seiten 62 ff.). 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 Fehlerstromes 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 über­ schritten 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 Sekundär­ wicklung induzierte Spannung, die so groß ist, daß die Spannungsamplitude am Meßwiderstand deutlich erhöht und somit der Schalter sicher ausgelöst wird. Deshalb muß durch den Summenstrom in den Primärwicklungen ein entspre­ chendes Magnetfeld erzeugt werden, das bei vorgegebener Stromstärke eine bestimmte Windungszahl der Primärwick­ lungen erforderlich macht. Gemäß der EP-OS 0 167 079 be­ nötigt man mit einem komplexen, überwiegend kapazitiven Meßwiderstand im Sekundärkreis des Summenstromwandlers nur jeweils eine einzige Windung der Primärwindungen. Dabei wird eine Auswerteschaltung durch einen für Stoß­ ströme bzw. Stoßspannungen ansprechenden Sensor während der Zeit des Ansprechens durch eine vom Sensor gesteuerte Sperre in der Auslösung gesperrt.

Vom Stand der Technik ist weiterhin mit der bereits erwähnten DE-OS 34 29 381 ein Fehlerstromschutzschalter nach dem Trans­ duktorprinzip bekannt, bei dem ein von pulsförmigen Feh­ lerströmen in der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers induziertes Spannungssignal durch ein elektronisches Ven­ til 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.

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 so zu verbessern, daß kurzzeitige Stoß­ fehlerströme nicht zur Auslösung des Schalters führen, insbesondere soll eine genaue Einstellung des Auslösewer­ tes unabhängig von der Stromrichtung eines Fehlerstromes möglich sein. Ferner soll auch die Auslösung des Schalters durch Stoßströme und Stoßspannungen verhältnismäßig gerin­ ger Stromstärke vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung ist wesentlich, daß dem Koppelschalter, der aus einem Sensor und einer Auslösesperre besteht, ein Umformer vorgeschaltet ist, dem die Differenzspannung aus der Bezugsspannung und der Zusatzspannung vorgegeben ist. Der Koppelschalter sperrt bei einem kurzzeitig eingestreu­ ten Stoßfehlerstrom während einer einstellbaren kurzen Zeit die Auslösung der Schalteinrichtung. Der Differenz­ stromschutzschalter ist somit unempfindlich gegen kurze Stoßfehlerströme. Durch einen Stoßstrom wird nur die an der Tertiärwicklung induzierte Zusatzspannung verändert, während das Rechtecksignal der aus der Sekundärspannung abgeleiteten Bezugsspannung unverändert bleibt. Das Dif­ ferenzsignal steuert eine einfache Differenzschaltung, die bei kurzzeitig eingestreuten Stoßströmen den Auslöser des Schalters sperrt.

Zur Ableitung der Bezugsspannung kann vorzugsweise ein komplexes Netzwerk mit einem Meßabgriff vorgesehen sein, das der Reihenschaltung aus der Sekundärwicklung mit dem Steuerwiderstand zugeordnet ist. Die Zeitkonstanten des Netzwerkes werden so gewählt, daß am Meßabgriff eine ver­ schliffene Rechteckspannung erzeugt wird, die im Verlauf und der Amplitude der Zusatzspannung etwa gleich ist. Die Spannung an dem komplexen Netzwerk ist nahezu unabhängig vom Fehlerstrom. Ein besonders einfaches Netzwerk erhält man dadurch, daß zwei RC-Glieder vorgesehen sind, von denen eines eine Reihenschaltung eines Widerstandes mit einer Kapazität und das andere eine Parallelschaltung eines Widerstandes mit einer Kapazität enthält.

Die in der Tertiärwicklung induzierte Zusatzspannung ergibt sich aus der Überlagerung der Wechselmagnetisierung durch den Rechteckgenerator und einem Fehlerstromsignal in der Primärwicklung. In Abhängigkeit von der Phasenlage zwischen der Wechselmagnetisierung und einem Stoßfehler­ strom erhält man entweder eine Überhöhung der Bezugsspan­ nung oder der Zusatzspannung.

Durch Differenzbildung erhält man als resultierendes Signal aus der Überlagerung das Fehlerstromsignal, das dem Koppelschalter zugeführt wird und die Auslösung des Schalters blockiert.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Schaltung eines Differenzstromschalters gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Steuersignalbildung und des Koppelschal­ ters ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 3 ist der Verlauf der Bezugsspannung in einem Diagramm veranschaulicht.

Der in Fig. 1 dargestellte Differenzstromschutzschalter über­ wacht zwei Netzleiter L1 und L2, die jeweils eine Primär­ wicklung 3 bzw. 4 eines Summenstromwandlers 2 bilden. Der Se­ kundärkreis des Summenstromwandlers 2 enthält eine Reihenschal­ tung eines Rechteckgenerators 5 mit einem Blockkondensator 6, der nach Erreichen seiner stationären Spannung nur Wechselströ­ me durchläßt und Gleichstromkomponenten sperrt, und der Sekun­ därwicklung 7 dieses Summenstromwandlers. Mit der Sekundär­ wicklung 7 in Reihe geschaltet sind ferner Meßkomponenten mit einem überwiegend ohmschen Dämpfungswiderstand 8 von beispiels­ weise 1 Kiloohm und ein überwiegend kapazitiver Meßwiderstand 9. Die Spannung am Meßwiderstand 9 wird einer elektronischen Auswertung 10 als Eingangssignal vorgegeben, deren nicht näher bezeichneter Ausgang an den Auslöser 11 des Schaltschlosses 12 eines Schalters 14 angeschlossen 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 K zugeordnet, der zu­ gleich als Sensor und als Sperre für den Auslöser 11 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 Sekundärwicklung 7 und dem Auslöser 11 sperrt. Er kann vorzugsweise die Auswer­ teschaltung 10 während einer im Koppelschalter 19 einstellbaren Zeit sperren, beispielsweise durch Entladung des Kondensators im Integrierglied 101 und damit durch Absenken der Eingangs­ spannung des Schwellwertschalters 102.

Der Reihenschaltung aus der Sekundärwicklung 7 mit dem Dämpfungsglied 8 und dem Meßwiderstand 9 ist ein komplexes Netzwerk 15 zugeordnet, das eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 16 von beispielsweise 150 Ohm und einer Kapazität 17 von beispielsweise 0,15 µF sowie eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 18 mit beispielsweise 2,7 Ohm und einer Kapa­ zität 19 von beispielsweise 68 nF enthält. Die aus der Sekun­ därspannung abgeleitete Bezugsspannung U₁ wird dem Eingang 21 eines Umformers 20 vorgegeben, dessen zweitem Eingang 22 die Zusatzspannung U₂ einer Tertiärwicklung 71 vorgegeben ist und der die Differenzspannung am Eingang 21, 22 in eine Steuer­ spannung für den Koppelschalter K umformt. Der Koppelschalter K enthält einen Sensor 30 und eine vom Sensor 30 gesteuerte Aus­ lösesperre 40 für den Auslöser 11.

Die Zusatzspannung U₂ an der Tertiärwicklung 71 wird erzeugt durch die resultierende, sich zeitlich ändernde Magnetisierung im Ringbandkern des Summenstromwandlers 2. Die vom Rechteck­ generator 5 in den Sekundärkreis eingespeiste Rechteckspannung fällt im wesentlichen ab an der Sekundärwicklung 7 und dem Meß­ widerstand 9. Solange kein Fehlerstrom fließt, wird die Zusatz­ spannung U₂ an der Tertiärwicklung 71 induziert durch den Rechteckgenerator 5 über die Sekundärwicklung 7. Mit einem Feh­ lerstrom, beispielsweise einem Stoßstrom in den Primärwicklun­ gen 3 und 4, ergibt sich die Zusatzspannung an der Tertiär­ wicklung 71 aus der Überlagerung der Rechteckmagnetisierung mit dem Fehlerstrom. Die Bezugsspannung U₁ am Netzwerk 15 erzeugt ein Vergleichssignal, das wenigstens annähernd der Zusatzspan­ nung U₂ an der Tertiärwicklung 71 ohne Fehlerstrom entspricht. Das Netzwerk 15 erzeugt somit als Bezugsspannung U₁ eine Wech­ selspannung, die der Spannung des Rechteckgenerators 5 ent­ spricht. Die ohne Fehlerstrom in der Tertiärwicklung 71 indu­ zierte Zusatzspannung U₂ entspricht somit zwar nicht in der Form, aber in der Frequenz der Sekundärspannung U_s. Diese Se­ kundärspannung U_s entsteht aus der Wechselmagnetisierung des Rechteckgenerators 5 und gegebenenfalls dem Spannungsabfall durch einen Fehlerstrom.

Die aus der Bezugsspannung U₁ und der Zusatzspannung U₂ im Umformer 20 gebildete Steuerspannung steuert den Sensor 30 im Koppelschalter K, der über den Ausgang 46 der Auslösesperre 40 den Auslöser 11 vorübergehend blockiert.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 besteht ein besonders ein­ facher Umformer 20 aus zwei Transistoren 25 und 28, denen je­ weils ein RC-Glied als Zeitglied vorgeschaltet ist und das einen Widerstand 23 bzw. 26 von beispielsweise jeweils 1 Kilo­ ohm und eine Kapazität 24 bzw. 27 von beispielsweise jeweils 10 nF besteht. Der Emitter des einen Transistors ist jeweils an den Basis-Kreis des anderen Transistors angeschlossen. Das Aus­ gangssignal des Umformers 20 wird dem Sensor 30 des Koppel­ schalters K zugeführt, der über ein Zeitglied 31 mit einem Wi­ derstand 32 von beispielsweise 4,7 Megohm und eine Kapazität 33 von beispielsweise 150 nF und einem Eingang 29 an eine Versorgungsspannung von beispielsweise 6 V angeschlossen ist. Der Eingang des Sensors 30 enthält einen Begrenzungswiderstand 34 von beispielsweise 270 Kiloohm. Ein Optokoppler 38 ist über ein weiteres Zeitglied 35 mit einem Widerstand 37 von bei­ spielsweise 3,3 Megohm und einer Kapazität 36 von beispiels­ weise 22 nF sowie einem Widerstand 45 angeschlossen. Der nicht näher bezeichnete Transistor des Optokopplers 38 enthält einen Kollektorwiderstand 39 von beispielsweise 22 Ohm. Der Optokopp­ ler 38 steuert die Auslösesperre 40, die eine Kapazität 41 sowie einen Entladewiderstand 42 und einen Lastwiderstand 44 für einen Transistor 43 enthält und deren Ausgangssignal am Ausgang 46 in den Sekundärkreis des Summenstromwandlers 2 eingreift und dadurch den Auslöser 11 für den Schalter 14 sperrt.

Zwischen dem Rechteckgenerator 5 und dem Bezugspotential besteht eine eingeprägte Rechteckspannung. Die Zeitkonstanten des komplexen Netzwerks 15 sind so gewählt, daß am Meßabgriff der Bezugsspannung U₁ eine verschliffene Rechteckspannung gemäß Fig. 3 erzeugt wird, die der Zusatzspannung U₂ an der Tertiär­ wicklung 71 in der Frequenz gleich und in der Amplitude und im Verlauf etwa gleich ist. Hierzu dienen die beiden RC-Glieder, von denen die beiden Kapazitäten 17 und 19 die Amplitude A, der Widerstand 16 und die Kapazität 17 die Stirnflanke B und der Widerstand 18 mit der Kapazität 19 die Neigung des fallenden Spannungsplateaus C bestimmen. Durch einen Fehlerstrom im Pri­ märkreis des Summenwandlers 2 ergibt sich eine Differenz zwi­ schen der Bezugsspannung U₁ und der Zusatzspannung U₂, so daß einer der Transistoren 25 und 28 durchgesteuert wird und am Ausgang des Umformers 20 ein Ausgangsimpuls erscheint, dessen Strom über den Entladewiderstand 32 und den Begrenzungswider­ stand 34 fließt. Der Spannungsabfall am Begrenzungswiderstand 34 dient für den Koppelschalter K als Steuerspannung. Durch das Ausgangssignal des Umformers 20 wird zugleich der Kondensator 33 des Zeitgliedes 31 geladen. Dieses Zeitglied bestimmt durch die Zeit der anschließenden Entladung des Kondensators 33 die Sperrzeit, bis der Kondensator wieder einen Stromimpuls tragen kann. Während der Entladung ist der Schalter blockiert. Der Optokoppler 38 wird gesteuert von der Spannung am Begrenzungs­ widerstand 34, wenn der Umformer an seinem Ausgang einen Strom­ impuls erzeugt. Das Zeitglied 35 bestimmt durch die Aufladung seines Kondensators 36 die Leuchtdauer der in der Figur nicht näher bezeichneten Diode des Optokopplers 38. Während der Leuchtdauer wird der Kondensator 41 der Auslösesperre 40 durch den Kollektorstrom des Transistors über den verhältnismäßig kleinen Kollektorwiderstand 39 während einer verhältnismäßig geringen Zeit aufgeladen und anschließend über den Entlade­ widerstand 42 und den Lastwiderstand 43 entladen. Diese Entla­ dezeit bestimmt durch das Ausgangssignal am Ausgang 46 die Zeit der Sperrung des Auslösers 11, vorzugsweise durch einen ent­ sprechenden Eingriff in die Auswertung 10.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 enthält der Umformer 20 zwei Schalttransistoren 25 und 28. Als Umformer 20 kann jedoch auch ein Differenzverstärker mit Gleichrichtung vorgesehen sein.

Im Ausführungsbeispiel ist eine Ausführungsform eines Diffe­ renzstromschutzschalters dargestellt, bei der eine Blockierung der Auswerteschaltung 10 durch die Auslösesperre 40 vorgesehen ist. Das Signal der Auslösesperre 40 am Ausgang 46 kann aber beispielsweise auch zur kurzzeitigen Ausschaltung der Wechsel­ magnetisierung des Wandlerkerns vorgesehen sein.

Claims (7)

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 (K) vorgesehen ist, der einen Sensor (30) und eine vom Sensor (30) steuerbare Auslösesperre (40) für den Auslöser (11) des Schalters (14) enthält, und daß dem Koppelschalter (K) ein Umformer (20) vorgeschaltet ist, dessen Eingang die Differenzspan­ nung aus einer Bezugsspannung (U₁) und einer Zusatzspan­ nung (U₂) vorgegeben ist, wobei die Bezugsspannung (U₁) von mindestens einem Teil jener Spannung abgeleitet ist, die an der zum Sekundärkreis gehörenden Reihenschaltung aus der Sekundärwicklung (7) und dem komplexen Meßwider­ stand (8, 9) abfällt und wobei die Zusatzspannung (U₂) durch die resultierende Magnetisierung aus dem Strom des Rechteckgenerators (5) und dem Fehlerstrom in einer Tertiärwicklung (71) induziert ist, welche Bezugsspannung (U₁) und Zusatzspannung (U₂) im fehlerstromfreien Betrieb durch entsprechende Bemessung der von der Reihenschaltung abgeleiteten Teilspannung in ihrem zeitlichen Verlauf weitgehend übereinstimmen, und daß das Ausgangssignal des Umformers (20) als Steuerspannung für den Koppelschalter (K) dient.

2. Differenzstromschutzschalter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Be­ zugsspannung (U₁) an einem Netzwerk (15) mit komplexem Spannungsteiler (16, 17, 18, 19) abgegriffen wird, welcher dem Sekundärkreis mit Reihenschaltung aus Sekundär­ wicklung (7) und dem komplexen Meßwiderstand (8, 9) parallelgeschaltet ist.

3. Differenzstromschutzschalter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Über­ einstimmung der zeitlichen Verläufe von Bezugsspannung (U₁) und der Zusatzspannung (U₂) die elektrischen Kompo­ nenten des komplexen Spannungsteilers (16 bis 19) an den Meßwiderstand (8, 9) angepaßt sind.

4. Differenzstromschutzschalter nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Netz­ werk (15) mit komplexen Spannungsteiler (16 bis 19) ein Meßabgriff zugeordnet ist, dessen Zeitkonstanten so ge­ wählt sind, daß am Meßabgriff eine verschliffene Rechteck­ spannung erzeugt wird, die im Verlauf und der Amplitude der Zusatzspannung (U₂) etwa gleich ist.

5. Differenzstromschutzschalter nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Netzwerk (15) aus zwei RC-Gliedern besteht ist, von denen eines eine Reihenschaltung eines Widerstandes (16) mit einer Kapazität (17) und das andere, das mit dem Meßab­ griff versehen ist, eine Parallelschaltung eines Wider­ standes (18) mit einer Kapazität (19) enthält.

6. Differenzstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer (20) derart aufgebaut ist, daß er unabhängig von der Polarität von Bezugsspannung (U₁) und Zusatzspannung (U₂) reagiert.

7. Differenzstromschutzschalter nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Um­ former (20) aus zwei gleichartigen Transistorschaltungen besteht, die im Basiskreis jeweils eine Reihenschaltung eines Widerstandes (23 bzw. 26) mit einer Kapazität (24 bzw. 27) enthalten und deren Emitter jeweils mit dem Basis­ kreis des anderen Transistors verbunden ist.