DE19636975A1 - Fehlerstromschutzschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter gemäß Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Fehlerstromschutzschalter ist aus der Offenlegungsschrift 35 37 140 her bekannt. Fehlerstrom­ schutzschalter sind weiterhin auch aus der OS 4 343 560 bzw. der OS 4 340 737 her bekannt. Fehlerstromschutz­ schalter werden in elektrischen Anlagen zur Isolations­ überwachung, zum Schutz gegen Brandgefahr durch Erd­ schlußströme und zum Schutz von Personen gegen elektri­ schen Schlag eingesetzt. Unter Fehlerstrom wird ein elektrischer Strom verstanden, der durch einen Isolati­ onsfehler auf unbeabsichtigten Wegen zum Fließen kommt. Der Wert eines solchen Fehlerstromes ergibt sich dabei aus der Differenz der Werte zwischen dem über die regu­ lären Hin- und Rückleitungen in die Anlage hineinflie­ ßenden und den aus der Anlage herausfließenden Ströme. Ist die Differenz der beiden Ströme ungleich Null, so fließt ein Fehlerstrom über einen nicht regulären Weg. Der Fehlerstromschutzschalter hat die Aufgabe, den zu überwachenden Anlagenteil vollständig von der Stromver­ sorgung zu trennen, wenn der Fehlerstrom einen vorbe­ stimmten Wert überschreitet. Hinsichtlich der übrigen Merkmale eines gattungsgemäßen Fehlerstrahlstrom­ schalters wird auf die Ausführungen der PS 35 37 140 verwiesen, dort ist ein Prüfschaltkreis vorgesehen, an welchem der Sekundärstromkreis eines Summenstromwand­ lers angeschlossen ist. Der Primärstromkreis des Summen­ stromwandlers wird von den Hin- und Rückleitungen ausge­ bildet, so daß in der Sekundärwicklung ein Summenstrom induziert wird, der dem Differenzstrom aus den Hin- und Rückleitungen entspricht. Der Prüfschaltkreis wirkt über einen Schalter, welcher bei dem bekannten Fehler­ stromschalter als Transistor ausgebildet ist, auf einen Hubmagneten. Bei Stand der Technik wird der Hubmagnet ständig bestromt, so daß dieser nach dem Ruhestromprin­ zip arbeitet. Bei Auftreten eines Fehlerstromes setzt die Bestromung des Hubmagneten aus. Die elektromagneti­ sche Schaltvorrichtung geht dann in den geöffneten Zustand und unterbricht den zu überwachenden Strom­ kreis. Prüfschaltkreis und Schalter werden von einer gemeinsamen Energieversorgung stromversorgt. Die Ener­ gie wird unmittelbar aus dem zu überwachenden Strom­ kreis entnommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gat­ tungsgemäßen Fehlerstromschalter einerseits verschleiß­ unanfälliger und andererseits funktionssicherer weiter­ zubilden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.

Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Erfindungsgemäß ist ein parallel zum ersten Schalter angeordneter zweiter Schalter vorgesehen. Beide Schalter werden von dem Prüfschaltkreis mit jeweils einem Steuersignal beaufschlagt. Beide Schalter wirken auf die elektronische Schaltvorrichtung. Es reicht aus, wenn einer der beiden Schalter schaltet, um die elektro­ nische Schaltvorrichtung in die Offenstellung zu verla­ gern, so daß der zu überwachende Stromkreis unterbro­ chen wird. Ist einer der beiden Schalter als Inverter zum anderen geschaltet, müssen von dem Prüfschaltkreis zwei, im wesentlichen komplementäre Steuersignale abge­ geben werden, um die Schalter zu betätigen bzw. unbetä­ tigt zu lassen. Der invertierende, zweite Schalter ist bevorzugt mit einer separaten Stromversorgung versehen. Die erfindungsgemäße hohe Redundanz sorgt dafür, daß der Fehlerstromschalter nur bei einem sehr unwahrschein­ lichen Doppelfehler ausfällt und bringt eine hohe Be­ triebssicherheit. Bevorzugt ist die elektromagnetische Schaltvorrichtung bei fehlendem Arbeitsstrom geschlos­ sen. Die bevorzugte Schaltung arbeitet im Arbeitsstrom­ prinzip. Die Wicklung des Hubmagneten wird nur best­ romt, wenn ein Fehlerstrom auftritt. Zufolge einer zur ersten komplementären Schaltcharakteristik des zweiten Schalters und dessen separater Stromversorgung führt ein Ausfall der ersten Stromversorgung bzw. ein Ausfall des Prüfschaltkreises zu einem Schließen des zweiten Schalters und zu einer Stromversorgung der Wicklung des Hubmagneten. Weiterhin bevorzugt ist eine Ausgestal­ tung, bei der die elektromagnetische Schaltvorrichtung zwei getrennte Wicklungen beinhaltet. Eine erste Wick­ lung wird vom ersten Schalter strombeaufschlagt. Eine zweite Wicklung wird vom zweiten Schalter strombeauf­ schlagt. Eine derartige weitere Erhöhung der Redundanz der Vorrichtung sorgt dafür, daß selbst bei einem Draht­ bruch in einer Wicklung des Hubmagneten die Ordnungsge­ mäße Funktionssicherheit der Gesamtvorrichtung nicht beeinträchtigt wird. Der Prüfschaltkreis ist bevorzugt als Mikroprozessor ausgebildet. In ihm kann ein Mikro­ programm ablaufen, welches auch weitere Überwachungsauf­ gaben durchführen kann. Bspw. kann eine zweite Sekundär­ wicklung des Summenstromwandler vorgesehen sein, welche von dem Prüfschaltkreis mit Prüfsignalen beaufschlagt wird. Diese Prüfsignale werden dann von der ersten Sekundärwicklung des Summenstromwandlers auf den Prüf­ schaltkreis zurückübertragen und dort ausgewertet. Durch die regelmäßige Aussendung von Prüfsignalen kann die Funktionsfähigkeit des Summenstromwandlers ständig geprüft werden. Tritt ein Fehler auf, so kann dieser entweder angezeigt werden oder zur Auslösung der Fehler­ stromfunktion führen. Es kann ferner vorgesehen sein, daß der zweite Schalter mittels einer negativen Span­ nung in seiner Offenstellung gehalten ist und bei Aus­ bleiben dieser Spannung schließt. Die negative Spannung wird bevorzugt dynamisch, d. h. pulsförmig zugeführt. Der zweite Schalter kann hierzu einen Kondensator auf­ weisen, welcher sich von den zugeführten Pulsen in einer negativen Aufladung befindet. Setzen die Pulse aus, so entlädt sich der Kondensator über einen Entlade­ strom bspw. über eine Diode, bis der zweite Schalter öffnet. Der Öffnungsstrom wird dabei von der zweiten separaten Energieversorgung bereitgestellt. Die Ausge­ staltung des Prüfschaltkreises als Mikroprozessor hat ferner den Vorteil, daß mittels der verschiedenen hoch­ ohmigen Eingänge des Mikroprozessors diverse Prüfaufga­ ben wahrgenommen werden können. Dabei ist bevorzugt je ein hochohmiger Eingang des Mikroprozessors über ggf. vorgeschaltete Widerstände mit jeweils einer Wicklung der elektronischen Schaltvorrichtung verbunden, um diese auf einen möglichen Drahtbruch hin permanent zu überwachen. In vorteilhafter Weise besitzt der Mikropro­ zessor einen weiteren Ausgang, mit welchem der Mikropro­ zessor an einen externen Bus oder dergleichen ange­ schlossen werden kann. Das von der ersten Sekundärwick­ lung des Summenstromwandlers erzeugte Signal wird über einen Verstärker einem Analogeingang des Mikroprozes­ sors zugefügt. Der Verstärker kann auch im Mikroprozes­ sor integriert sein. In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung besitzt die elektromagnetische Steuervor­ richtung eine eigene Energieversorgung. Auch hierbei wird der Strom dem Netz, an welches der zu überwachende Stromkreis angeschlossen ist entnommen. Die Spannung wird vorzugsweise über Widerstände heruntergeteilt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters und

Fig. 2 ein Schaltungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters.

Der in der Fig. 1 skizzierte Fehlerstromschutzschalter besitzt einen Prüfschaltkreis P, welcher von einem Mikroprozessor ausgebildet wird. In der Fig. 2 ist dargestellt, wie ein derartiger Mikroprozessor mit Strom versorgt wird, bzw. wie die Anschlüsse belegt sind. Die Vorrichtung weist ferner einen Summenstrom­ wandler W auf mit einer Primärwicklung 1 und zwei Sekun­ därwicklungen 2, 3. Die Primärwicklung 1 besteht im wesentlichen aus den durch den Ringkern oder derglei­ chen durchgeführten Hin- und Rückleitungen des zu über­ wachenden Stromkreises L, N. Die erste Sekundärwicklung 2 ist über einen Verstärker V mit einem Eingang des Mikroprozessors verbunden. Im Blockschaltbild gemäß Fig. 1 ist der Eingang mit E bezeichnet. Der Verstärker V ist im Mikroprozessor P integriert.

Vom Mikroprozessor P werden über den Ausgang S bspw. über den Widerstand R4 Prüfimpulse ausgesandt, welche einen Fehlerstrom simulieren. Diese Prüfsignale werden von der zweiten Sekundärwicklung 3 auf die erste Sekun­ därwicklung 2 übertragen und vom Eingang E des Mikropro­ zessors empfangen. Aus der zeitlichen Korelation zum Sender S erkennt der Mikroprozessor, ob es sich bei den empfangenen Signalen um Prüfsignale handelt, oder ob es sich bei diesen Signalen um echte Fehlerstromsignale handelt.

Der Signalausgang S wird im Schaltbild gemäß Fig. 2 vom Pin 13 ausgebildet. Der Eingang E wird von Pin 8 bis 10 ausgebildet. Ein RC Glied, welches von den Kondensato­ ren C3 und C10 bzw. dem Widerstand R8 gebildet wird, versorgt den Mikroprozessor über Pin 6 und 7 mit einem Taktsignal.

Über die Energieversorgung EV1 wird der Mikroprozessor P mit seiner Versorgungsspannung versorgt. Im Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die dort mit Q bezeichne­ te erste Energieversorgung von einem Spannungs­ konstanter ausgebildet, welcher über Widerstände an dem zu überwachenden Stromkreis angeschlossen ist. Über diese Energieversorgung EV1 wird auch ein Schalter S1 mit Strom versorgt. Dieser Schalter S1 wird von dem Thyristor T2 ausgebildet. Der Thyristor T2 ist mit seinem Gate am Mikroprozessor Pin 1, 2, 3 angeschlos­ sen. Im Blockschaltbild gemäß Fig. 1 ist der entspre­ chende Ausgang des Mikroprozessors mit A1 bezeichnet. Der Ausgang des Schalters S1 ist mit der Wicklung L1 eines Hubmagneten verbunden. Der Hubmagnet selbst wird von einer Energieversorgung EV3 mit Strom versorgt. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besteht diese dritte Energieversorgung aus dem Widerstand R11, welcher unmit­ telbar an dem zu überwachenden Stromkreis angeschlossen ist.

Der Mikroprozessor P besitzt einen zweiten Ausgang A2, aus welchen ein zum Signal des ersten Ausganges A1 im wesentlichen inverses Signal austritt. Im Ausführungs­ beispiel handelt es sich um Impulse. Diese Impulse werden auf einen Schalter S2 geleitet. Der Schalter S2 wird im Ausführungsbeispiel von einem Transistor T1 ausgebildet. Der Ausgang A2 wird vom Pin 4 des Mikropro­ zessors ausgebildet. Die vom Pin 4 ausgehenden Pulse gelangen über einen Kondensator C6 in eine Dioden­ strecke D6a, D6b. Mittels dieser Dioden wird aus dem pulsie­ renden Signal ein negativer Strom generiert, der in C7 hineinfließt. Gleichzeitig ist ein positiver Strom an C7 angelegt. Dieser postive Strom wird aus dem zu über­ wachenden Stromkreis unter Verwendung von D8/R13/R12 gebildet. Im stabilen Zustand entsteht ein Stromgleich­ gewicht, so daß die Spannung an C7 wesentlich kleiner als die Zündspannung von T1 ist. Bei Ausbleiben der Impulse wird kein negativer Strom erzeugt, das Strom­ gleichgewicht ist unterbrochen, der Thyristor T1 schal­ tet, so daß Strom durch die zweite Wicklung L2 des Hubmagneten fließen kann.

Der Schalter S2 besitzt eine eigene Energieversorgung EV2, welche von den Widerständen R13 und R12 in Verbin­ dung mit der Diode 8 ausgebildet wird.

Zufolge der Diode D7, welche parallel zum Kondensator C7 geschaltet ist, ist der Kondensator C7 bei anliegen­ den Steuersignalen gegen eine zu hohe gegenpolige Aufla­ dung geschützt. Dies erlaubt den Einsatz von Elektrolyt­ kondensatoren.

Die Ausgänge der Wicklungen L1 und L2, welche einseitig verbunden sind und an der dritten Energieversorgung EV3 angeschlossen sind, werden andersseitig über die Wider­ stände R14, R15 bzw. R16, R17 mit Pin 15, 16 bzw. 17, 18 des Mikroprozessors verbunden. Im Blockschaltbild ist dies durch die Verbindung der Wicklungen L1, L2 mit den Prüfeingängen p1 und p2 des Mikroprozessors darge­ stellt. Die Prüfeingänge p1 und p2 sind hochohmige Eingänge des Mikroprozessors. Mit diesen Eingängen wird geprüft, ob durch die Wicklungen L1, L2 ein geringer Prüfstrom fließen kann. Ist dies nicht der Fall, so detektiert der Mikroprozessor einen Drahtbruch. Er kann über eine Signalausgabeeinrichtung, bspw. über einen Summer oder eine Leuchtdiode ein entsprechendes Signal abgeben. Er kann aber auch eine Fehlerstromfunktion mit der anderen Wicklung ausführen, um den Stromkreis zu unterbrechen.

Die Funktionsweise des Fehlerstromschutzschalters ist die folgende. Über die Energieversorgung EV1 wird der Mikroprozessor mit Strom versorgt. Über die zweite Energieversorgung EV2 liegt am zweiten Schalter S2 eine Betriebsspannung an. Über die dritte Energieversorgung EV3 liegt an den beiden Wicklungen L1 und L2 des Hubmagne­ tens eine Spannung an. Die an den anderen Enden der jeweiligen Wicklungen L1 und L2 angeschlossenen Schal­ ter S1 und S2 sperren im fehlerlosen Zustand, so daß durch die Wicklungen L1 und L2 kein Strom fließt und der zu überwachende Stromkreis geschlossen ist. In diesem Zustand liegt am Ausgang A1 des Mikroprozessors kein Signal an, so daß der den Schalter S1 ausbildende Thyristor T2 sperrt. Aus dem Ausgang A2 treten negative Spannungsimpulse aus, die dafür sorgen, daß der Schal­ ter S2 ebenfalls sperrt. Über die Prüfeingänge p1, p2 wird der Zustand der Wicklungen L1 und L2 überprüft.

Vom Mikroprozessor P werden in zeitlichen Abständen Prüfimpulse aus dem Ausgang S auf die zweite Primärwick­ lung des Summenstromwandlers W gesandt. Diese Impulse werden über die erste Sekundärwicklung 2 auf einen Eingang E des Mikroprozessors übertragen. Der Mikropro­ zessor überwacht kontinuierlich die Funktionsfähigkeit des Hubmagneten und des Summenstromwandlers. Detektiert der Mikroprozessor P ein Fehlerstromsignal, so liegt am Ausgang A1 ein Steuersignal an, so daß der Schalter S1 schließt und ein Strom von der Energieversorgung 3 durch die Wicklung L1 fließen kann. Gleichzeitig wird das am Ausgang A2 anliegende Steuersignal positiv oder unterbrochen, so daß mittels der Energieversorgung EV2 der Schalter 2 ebenfalls geschlossen wird, so daß auch die Wicklung L2 stromdurchflossen ist. In diesem Auslö­ sefall schließen die Thyristoren T1, T2, so daß Strom durch die Wicklung L1, L2 fließen kann. Dies hat zur Folge, daß der Anker des Hubmagneten gehoben wird, so daß der zu überwachende Stromkreis unterbrochen ist. Der Hubmagnet ist den Abgriffen für die Energieversor­ gung leitungsmäßig nachgeordnet angeordnet, so daß die Energieversorgung des Fehlerstromschalters auch bei geöffneter Schaltvorrichtung bestehen bleibt. Der Hubma­ gnet kann ferner so ausgebildet sein, daß er nach einer Betätigung in die Öffnungsstellung dort verbleibt und nur durch Betätigung von Hand wieder in die Geschlossen­ stellung zurück verlagert werden kann.

Der Mikroprozessor überwacht im Normalfall den Summen­ stromwandlerkreis mittels Impulse. Der Fehlerstrom­ schutzschalter ist Netzausfallsicher. Nach einem Netz­ ausfall geht der Fehlerstromschutzschalter automatisch in seinen, den zu überwachenden Stromkreis schließenden Zustand ein. Trotz Arbeitsstromprinzips liegt eine hohe Betriebssicherheit vor. Der zu überwachende Stromkreis ist nur geschlossen, wenn vom Prüfschaltkreis zwei, voneinander verschiedene Steuersignale, bspw. Spannung Null und positive bzw. negative Spannung geliefert werden. Ein Schalter kann die Schaltcharakteristik eines Schließers haben, der andere, welcher eine separa­ te Energieversorgung aufweist hat dann die Schaltcharak­ teristik eines Öffners.

Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Priori­ tätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhalt­ lich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims (15)

1. Fehlerstromschalter mit einem Summenstromwandler (W), dessen Primärstromkreis (1) aus den Hin- und Rück­ leitungen des zu überwachenden Stromkreis besteht, und dessen Sekundärwicklung (2) mit einem Prüfschaltkreis (P) verbunden ist, mit einer elektromagnetischen Schalt­ vorrichtung (H) zum Abschalten des zu überwachenden Stromkreises bei Auftreten eines Fehlerstroms, wobei der Arbeitsstrom der Haltevorrichtung (H) von einem Schalter (S1) schaltbar ist, welcher von dem Prüfschalt­ kreis (P) hierzu mit einem Steuersignal beaufschlagt wird, und mit einer Energieversorgung (EV1) für den Prüfschaltkreis (P) und den Schalter (S1), gekennzeich­ net durch einen parallel zum ersten Schalter (S1) ange­ ordneten zweiten Schalter (S2), ebenfalls zum Schalten eines Arbeitsstromes der Schaltvorrichtung (H), welcher zweite Schalter (S2) von dem Prüfschaltkreis (P) mit einem zweiten Steuersignal, vom ersten Steuersignal abweichendem beaufschlagt wird.

2. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter (S2) eine zum ersten Schalter (S1) komplementäre Schaltcha­ rakteristik hat.

3. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, insbesondere bei fehlendem zweiten Steuersignal schließende Schalter (S2) eine eigene, zweite Energieversorgung (EV2) be­ sitzt.

4. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergeheden Ansprüchen oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Schaltvorrichtung (H) bei fehlendem Arbeitsstrom ge­ schlossen ist.

5. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Schaltvorrichtung (H) ein Hubmagnet mit zwei getrennten Wicklungen (L1, L2) ist, welche jeweils von einem der beiden Schalter (S1, S2) mit Arbeitsstrom versorgbar ist.

6. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfschaltkreis (P) einen Mikroprozessor umfaßt.

7. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine Summenstromwandlerüberwachung mittels Prüfsignale, welche von dem Prüfschaltkreis erzeugt einer zweiten Sekundärwicklung zugeführt werden.

8. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter mittels einer negativen Spannung in seiner Offenstellung gehal­ ten ist und bei Ausbleiben dieser Spannung schließt.

9. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter (S2) einen dynamisch angesteuerten Kondensator (C2) umfaßt.

10. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (L1, L2) des Hubmagneten (H) vom Prüfschaltkreis auf Drahtbruch hin überwacht werden.

11. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch einen externen Prüfanschluß (EXT) des Prüfschaltkreises (P).

12. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch einen im Mikroprozessor integrier­ ten Verstärker (V).

13. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine dritte Energieversorgung (EV3) zur Stromversorgung des Hubmagneten (H).

14. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S1, S2) von Thyristoren ausgebildet sind.

15. Fehlerstromschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem auftretenden Fehlerstrom beide Wicklungen (L1, L2) des Hubmagneten (H) bestromt werden.