EARTH FAULT CIRCUIT BREAKER RESPONDING ALSO TO DIRECT FAULT CURRENTS

Abstract: 1. Fault current safety switch for disconnecting users even in the case of direct current fault currents, which operates with a tripping device, a switch lock and a summation current transformer (1) which comprises a first secondary winding (3) connected to an oscillator (9) and comprises a second secondary winding (4) connected to an excitation winding of a magnetic tripping device, characterised in - that the magnetic tripping device (10) has two excitation windings (16, 17), a first (16) and a second (17), on arms of its yoke (12), - that the first excitation winding (16) is connected to the oscillator (9), the second excitation winding (17) being connected to the second secondary winding (4), and - that the two excitation windings (16, 17) are tuned to one another in such manner that on operation of the oscillator (9), the magnetic fluxes produced by said excitation windings in the magnetic circuit of the magnetic tripping device (10) in the fault current free state, are unidirectional and opposite in relation to one another.

Description: Fehlerstromschutzschalter, der auch auf Gleichstromfehlerströme anspricht (Die Priorität der Patentanmeldung in Japan, Aktenzeichen 54-35270, vom 26.03.1979 wird in Anspruch genommen.) Die Erfindung bezieht sich auf einen Fehlerstromschutzschalter zum Abschalten von Verbrauchern auch bei Gleichstromfehlerströmen, der ausser mit Summenstromwandler, Auslöser und Schaltschloss mit einem Oszillator arbeitet. Die jüngere Entwicklung auf dem Gebiet der Elektrotechnik mit immer zahlreicheren Geräten mit Gleichstromkomponenten und der Trend zu höheren Gerätearbeitsspannungen hat zu einem wachsenden Bedarf geeigneter Fehlerstromschutzschalter, die auch auf Gleichstromfehlerströme ansprechen können, geführt. Die grosse Masse der auf dem Markt befindlichen Fehlerstromschutzschalter arbeitet nach dem Prinzip, dass ein Fehlerstrom in einem Summenstromwandler ein von Null abweichendes Residuum ergibt, so dass in einer Sekundärwicklung eine Spannung induziert wird, die über einen Auslöser ein Schaltschloss zum Offenen von Schaltkontakten entklinkt. Da Gleichstromkomponenten in der Sekundärwicklung keine Spannung induzieren können, sprechen solche Fehlerstromschutzschalter auf Gleichstromfehlerströme nicht an. Bereits in der Literatur vorgeschlagene Fehlerstromschutzschalter, die auch auf Gleichstromfehlerströme ansprechen, sind in der Regel aufwendig und benötigen umfangreiche Elektronik. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fehlerstromschutzschalter zu entwickeln, der im Prinzip mit einem bewährten Magnetauslöser arbeitet und im wesentlichen mit einem Oszillator handelsüblicher Art auskommt, um auf Gleichstromfehlerströme ansprechen zu können. Die Lösung der geschilderten Aufgabe liegt in einem Fehlerstromschutzschalter mit den Merkmalen, - dass der Summenstromwandler mit zwei Sekundärwicklungen, einer ersten und einer zweiten, versehen ist, - dass ein Magnetauslöser an Schenkeln seines Jochs zwei Erregerwicklungen, eine erste und eine zweite, auf weist und - dass die erste Sekundärwicklung mit dem Oszillator und der ersten Erregerwicklung verbunden ist, - dass die zweite Sekundärwicklung mit der zweiten Erreger wicklung verbunden ist und - dass die beiden Erregerwicklungen so aufeinander abge stimmt sind, dass bei Betrieb des Oszillators die von ihnen im Magnetkreis des Magnetauslösers im fehler stromfreien Zustand erzeugten Magnetflüsse einander gleich- und entgegengerichtet sind. Im fehlerstromfreien Zustand beaufschlagt der Oszillator einmal die erste Erregerwicklung des Magnetauslösers direkt und zum anderen die zweite Erregerwicklung über die beiden auf dem Kern des Summenstromwandlers aufgebrachten Sekundärwicklungen, die als Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators wirken. Die magnetischen Flüsse, die im Magnetkreis des Magnetauslösers induziert werden, heben sich dann nach Betrag und R3ch- tung auf, so dass bei einem Haltemagneten üblicher Art der von einem Dauermagneten über Joch und Anker getriebene Magnetfluss den Anker gegen die Kraft einer Abzugsfeder festhalten kann. Ein Gleichstromfehlerstrom induziert im Magnetkern des Summenstromwandlers einen Magnetfluss, der den Arbeitspunkt verschiebt, so dass das Signal über die beiden Sekundärwicklungen geschwächt übertragen wird. Dadu-rch wird im Magnetauslöser das magnetische Gleichgewicht gestört und die zweite Erregerwicklung kann einen Fluss durch den Magnetkreis treiben, der die Wirkung des Permanentmagnetflusses aufhebt, so dass der Anker vom Joch abfallen kann. Der abfallende Anker kann in üblicher Weise ein SchaltschloF entklinken, wodurch die Schaltkontakte in den zu überwachenden Leitungen, die durch den Summenstromwandler hindurchgeführt sind, geöffnet werden. Es ist günstig, wenn der Kern des Summenstromwandlers durch zu erwartende Gleichstromfehlerströme in Sättigung betrieben wird. Dadurch wird bei Fehlerströmen mit Gleichstromanteilen die Ubertragung des Oszillatorsignals über die beiden Sekundärwicklungen auf dem Summenstromwandler besonders stark geschwächt. Es ist vorteilhaft, die erste Sekundärwicklung, den Oszillator und die erste Erregerwicklung in Reihe zu schalten. Die Erfindung soll anhand eines schematisch wiedergegebenen Ausführunesbeispiels näher erläutert werden: In Figur 1 ist ein Schaltungsaufbau des Fehlerstromschutzschalters dargestellt. In Figur 2. ist ein Diagramm wiedergegeben, das die Uber- tragung von der ersten zur zweiten Sekundärwicklung des Summenstromwandlers im fehlerstromfreien Betrieb veranschaulicht. Auf der Ordinate ist der magnetische Fluss und auf der Abszisse die magnetische Feldstärke aufgetragen. In Figur 3 ist anhand der Darstellung nach Figur 2 die Arbeitsweise des Fehlerstromschutzschalters bei einem Fehlerstrom mit Gleichstromkomponente veranschaulicht. Der Fehlerstromschutzschalter nach Figur 1 weist einen Summenstromwandler 1 mit Ringkern 2 auf. Auf dem Ringkern sind eine erste Sekundärwicklung 3 und eine zweite Sekundärwicklung 4 angeordnet. Durch den Ringkern 2 sind die zu überwachenden Leitungen 5 hindurchgeführt, genauer gesagt: an den Anschlussklemmen 6 ist das Speisenetz und an den Anschlussklemmen 7 der zu schützende Verbraucher anzuschliessen. In den zu überwachenden Leitungen 5 liegen Schaltkontakte 8. Ein Oszillator 9 ist zur Stromversorgung lastseitig hinter den Schaltkontakten 8 an die zu überwachenden Versorgungsleitungen 5 angeschlossen. Dieser Oszillator handelsüblicher Art erzeugt eine Wechselspannung höherer Frequenz als die der Netzfrequenz. Auf die Schaltkontakte 8 wirkt in üblicher Weise ein Magnetauslöser 10 ein: Wenn der Anker 14 abfällt, kann in üblicher Weise ein Schaltschloss entklinkt werden, das die Kontakte 8 öffnet. Der Magnetauslöser 10 kann als polarisiertes Relais oder als Haltemagnet ausgebildet sein. Er weist in üblicher Art einen Dauermagneten 11 und einen magnetischen Nebenschluss 13 auf. Wesentlich ist jedoch, dass auf dem Joch 12 des Magnetauslösers zwei Erregerwicklungen 16 und 17 angeordnet sind, die in der geschilderten besonderen Weise mit den zwei Sekundärwicklungen 3 und 4 des Summenstromwandlers und dem Oszillator 9 verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel ist die erste Sekundärwicklung 3 mit dem Ausgang des Oszillators 9 und der ersten Erregerwicklung 16 in Reihe verbunden. Die zweite Sekundärwicklung 4 ist mit der zweiten Erregerwicklung 17 verbunden. Durch den magnetischen Nebenschluss 13 kann der Magnetfluss durch den Anker 14 so eingestellt werden, dass der Anker 14 gegen die Kraft der Abzugsfeder 15 im fehlerstromfreien Zustand noch sicher gehalten wird. Die beiden Erregerwicklungen 16, 17 sind so aufeinander abgestimmt, dass bei Betrieb des Oszillators 9 die von ihnen im Magnetkreis des Magnetauslösers 10 im fehlerstromfreien Zustand erzeugten Magnetflüsse einander gleichund entgegengerichtet sind. Der vom Dauermagneten 11 hervorgerufene magnetische Zustand im Joch 12 und im Anker 14 bleibt dann unbeeinflusst. Im fehlerfreien Zustand wird die Spannung am Ausgang des Oszillators 9 einmal über die Sekundärwicklung 3 und 4 des Summenstromwandlers 1 als Spannung V2 zur zweiten Erregerwicklung 17 übertragen und zum anderen direkt an die erste Erregerwicklung 16 angelegt. Die Spannung V2 wird durch den Strom IH in die erste Sekundärwicklung 3 induziert. Im Fehlerfall überwiegt die treibende Spannung an der zweiten Erregerwicklung 17. Im Diagramm nach Figur 2 ist veranschaulicht, wie die beiden Sekundärwicklungen 3 und 4 auf dem Kern 2 des Summenstromwandlers 1 als Primärwicklung und Sekundärwicklung eines gewöhnlichen Transformators arbeiten. Auf der Ordinate ist die magnetische Induktion und auf der Abszisse die magnetische Feldstärke aufgetragen. Die magnetische Kennlinie wird mit dem Wechselstrom IH, der vom Oszillator 9 in die erste Sekundärwicklung 3 hineinfliesst, beaufschlagt. Es entsteht dann eine magnetische Induktion B und auf der Sekundärseite, also am Ausgang der zweiten Sekundärwicklung 4, und eine entsprechende Spannung V2. In Figur 2 ist die magnetische Kennlinie im Arbeitsbereich vereinfacht als lineare Kennlinie dargestellt. Ein vom Wechselstrom IH erzeugter magnetischer Fluss B induziert sekundärseitig die Spannung V2. Wenn der Magnetkern 2 des Summenstromwandlers 1 infolge eines Fehlerstroms magnetisiert wird, verschiebt sich der Arbeitspunkt bezüglich der beiden Sekundärwicklungen 3 und 4 infolge des üblichen nichtlinearen Verhaltens der Magnetkennlinie. Man kann aber auch vorzugsweise die magnetische Sättigung ausnützen. Bei einem Kern 2 des Summenstromwandlers der für zu erwartende Fehlerströme in Sättigung geht, ergeben sich die Verhältnisse nach Figur 3. Ein Fehlerstrom, im Ausführungsbeispiel ein Gleichstromfehlerstrom IG, bewirkt die dargestellte Verschiebung des Arbeitspunktes in den Ubergang der magnetischen Kennlinie in die Sättigung. In der zweiten Sekundärwicklung 4 - anhand des Ausführungsbeispiels nach Figur 1 orientiert - wird dann vom Wechselstrom IH durch die erste Sekundärwicklung 3 auf die zweite Sekundärwicklung 4 nur die niedrigere Spannung V2' übertragen. Verständlicherweise erfolgt diese Spannungsverminderung hinsichtlich des Betriebszustandes nach Figur 2 auch dann, wenn beispielsweise ein Gleichstromfehlerstrom auftritt, der grösser als der in Figur 3 dargestellte, also grösser als der Sättigungsfehlerstrom, ist. Wenn bei einem Fehlerstromschutzschalter in der Darstellung nach Figur 1 die Kontakte 8 geschlossen werden, beginnt der Oszillator 9 zu arbeiten. Er erregt die erste Sekundärwicklung 3 des Summenstromwandlers 1 und die erste Erregerwicklung 16 des Magnetauslösers 10 mit einem Bechsel- strom IH. Dadurch wird auch die Spannung V2 in der zweiten Sekundärwicklung 4 - in dieser Funktionsweise ist das die eigentliche Sekundärwicklung - erzeugt, die an der zweiten Erregerwicklung 17 des Magnetauslösers 10 anliegt. Im fehlerstromfreien Zustand hebt der magnetische Fluss, der durch die zweite Erregerwicklung 17 hervorgerufen würde, den magnetischen Fluss der Erregerwicklung 16 auf. Der magnetische Fluss, wie er vom Dauermagneten 11 im Joch 12 und Anker 14 hervorgerufen wird, bleibt dadurch unberührt. Wenn ein Fehlerstrom in den zu überwachenden Leitungen auftritt, sinkt die in der zweiten Sekundärwicklung 4 des Summenstromwandlers 1 induzierte Spannung V2 auf einen niedrigeren Wert V2', so dass der magnetische Fluss, den die zweite Erregerwicklung 17 erzeugt, entsprechend absinkt. Der von der Erregerwicklung 16 hervorgerufene Magnetfluss bleibt jedoch unverändert, so dass jetzt das magnetische Gleichgewicht verloren geht. Bei einem als polarisierten Relais ausgebildeten Magnetauslöser 10 bewirkt der jetzt auftretende magnetische Wechselfluss während einer Halbwelle in bekannter Weise eine Schwächung bzw. Unterdrückung des vom Dauermagneten 11 hervorgerufenen Gleichmagnetflusses. Dadurch fällt der Anker 13 in dieser Halbwelle ab, was zum Offnen der Kontakte 8 führt. Vorzugsweise arbeitet der Fehlerstromschutzschalter nach der Erfindung mit einem Kern des Summenstromwandlers, der durch Fehlerströme, die zum Auslösen führen sollen, in Sättigung geht. 3 Patentansprüche 3 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Fehlerstromschutzschalter zum Abschalten von Verbrauchern auch bei Gleichstromfehlerströmen, der ausser mit Summenstromwandler, Auslöser und Schaltschloss mit einem Oszillator arbeitet, d a d u r c h g e k e n n zeichnet, - dass der Summenstromwandler (1) mit zwei Sekundärwick lungen (3, 4), einer ersten (3) und einer zweiten (4), versehen ist, - dass ein Magnetauslöser (10) an Schenkeln seines Jochs (12) zwei Erregerwicklungen (16, 17), eine erste (16) und eine zweite (17), aufweist und - dass die erste Sekundärwicklung (3) mit dem Oszillator (9) und der ersten Erregerwicklung (16) verbunden ist, - dass die zweite Sekundärwicklung (4) mit der zweiten Erregerwicklung (17) verbunden ist und - dass die beiden Erregerwicklungen (16, 17) so aufein ander abgestimmt sind, dass bei Betrieb des Oszillators die von ihnen im Magnetkreis des Magnetauslösers (10) im fehlerstromfreien Zustand erzeugten Magnetflüsse einander gleich- und entgegengerichtet sind. 2. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Kern (2) des Summenstromwandlers (1) durch zu überprüfende Gleichstromfehlerströme in Sättigung geführt wird. 3. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die erste Sekundärwicklung (3), der Oszillator (9) und die erste Erregerwicklung (16) in Reihe geschaltet sind.

Inventors: YAMAKI, SHOUICHI
Applicants: FUJI ELECTRIC CO. LTD.
Application year: 1980
Main classification: H02H3
IPC codes: H02H3