AT505635B1 - Fehlerstromschutzschalter - Google Patents

Description

2 AT 505 635 B1

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fehlerstrom-Schutzschalter mit einem Summen-Stromwandler für zu überwachende Leitungen, welche über die Kontakte eines mehrpoligen, ersten Schalters geführt sind, wobei dieser Schalter in seiner Schließstellung von einem Schaltschloss gehalten ist, welches bei Überschreiten einer vorgegebenen Stromdifferenz in den Leitungen den Schalter im Sinne eines Öffnens seiner Kontakte auslöst, und mit einem zweiten, als Prüftaster ausgebildeten Schalter, bei dessen Schließen ein definierter, zum Auslösen des Schalters hinreichender Fehlstrom von einem Leiter abgezweigt wird, und zur vorübergehenden Überbrückung der Kontaktstrecken des ersten mehrpoligen Schalters mit Überbrückungszweigen ein dritter mehrpoliger Schalter vorgesehen ist, der in Richtung seiner Öffnungsstellung federbelastet und nicht feststellbar ist.

Fehlerstromschutzschalter, früher als F1-Schalter und nun normgerecht EU-weit RCD genannt, sollen einen überwachten Stromkreis von einem speisenden Kreis trennen, falls die Summe der überwachten Ströme von einem definierten Wert, z.B. 30 mA, abweicht. Eine solche Stromdifferenz tritt insbesondere dann auf, wenn Strom über einen Leiter gegen Erde fließt, was der Fall sein kann, wenn ein Leiter einen Isolationsfehler aufweist oder eine Person einen spannungsführenden Leiter berührt.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines 2-poligen Fehlerstromschutzschalters herkömmlicher und weit verbreiteter Bauart. Ein versorgender Stromkreis weist zwei Leiter L1 und N sowie gegebenenfalls einen Schutzleiter PE auf, wobei die Spannung beispielsweise von der Wicklung WT eines nicht gezeigten Transformators über eine zweipolige Sicherung F1 geliefert wird.

Wesentlich für den Fehlerstromschutzschalter ist ein Summen-Stromwandler, der einen Ringkern RK besitzt. Die zu überwachenden Leitungen L1, N sind über die Kontakte eines mehrpoligen, ersten Schalters S1 zu einem Lastkreis LK mit einem möglichen Verbraucher V geführt, wobei dieser Schalter in seiner Schließstellung von einem Schaltschloss SC gehalten ist.

Falls in dem überwachten Stromkreis irgendwo ein Strom gegen Erde fließt, ist die Summe der Ströme, welche durch die Leiter L1 und N fließt größer als Null und es besteht eine Stromdifferenz, welche in einer Wicklung WT eine Spannung erzeugt, die in dem Schaltschloss zu einer elektromagnetischen Auslösung des federbelasteten, mehrpoligen, ersten Schalters S1 führt, wodurch der Stromkreis sehr rasch, beispielsweise innerhalb von 200 ms, unterbrochen wird.

Um, wie in vielen Staaten auch vorgeschrieben, die Funktion des Fehlerstromschutzschalters überprüfen zu können, ist ein zweiter Schalter S2 vorgesehen, der als Prüftaster ausgebildet ist und bei dessen Schließen ein definierter, zum Auslösen des Schalters hinreichender Fehlstrom in einen Leiter eingespeist wird, was gemäß Fig. 1 über einen Widerstand R erfolgt. Dieser Widerstand ist so groß, dass er bei geschlossenem Schalter S1 über die Netzspannung, z.B. 240 Volt, einen entsprechenden Fehlerstrom, z.B. 30 mA, erzeugt.

Eine solche Überprüfung führt bei ordnungsgemäßem Auslösen des Fehlerstromschutzschalters zu einer Abschaltung sämtlicher angeschlossener Verbraucher. Da an vielen Stromkreisen mit Steckvorrichtungen bis 16 A Nennstrom sensible Geräte betrieben werden, ist es bei Anwendungen, in denen ein ununterbrochener Betrieb erforderlich ist, nicht möglich, diese Funktionsprüfung durchzuführen, da sie zur Abschaltung dieser Geräte führen würde. Besonders problematisch ist dies in Anlagen mit hohem IT-Geräteanteil und sensiblen IT-Anwendungen, wie z.B. in Kraftwerken, Umspannwerken, Serverräumen etc. Selbst in normalen Haushalten bewirkt die herkömmliche Funktionsprüfung des Fehlerstromschutzschalters, dass an vielen Endgeräten mit Zeitanzeige, z.B. einem E-Herd, Recorder, Radiowecker usw. nach der Auslösung des Fehlerstromschutzschalters die Zeit neu eingestellt werden muss.

Die DE 44 32 643 A1 zeigt eine Ausführung, deren Schaltung keine Verriegelung besitzt, die das Prüfen (Überbrücken des Fehlerstromschutzschalters) bei einem bestehenden Fehler verhindert. Weiters ist ein zusätzlicher (Tast)schalter 10 vorgesehen. Zum Prüfen wird zuerst 3 AT 505 635 B1 ein Schalter 9 geschlossen und kurz darauf der genannte Prüftaster 10, was zum Öffnen der Kontakte 15 des Hauptschalters führt, wobei der Kontakt 10 sofort wieder zurückspringt. Der federbelastete "Tastkopf' 25 ist und wird gedrückt, wodurch die Kontakte 9 des dritten Schalters geschlossen werden. Fällt die Prüfung positiv aus, so fällt der erste Schalter mit den Kontakten 15, d.h. diese öffnen. Danach wird der erste Schalter wieder händisch eingelegt, und der „Tastkopf 25 ein zweites Mal betätigt, wodurch dieser wieder in die Grundstellung (Kontakte 9 und 10 geöffnet) gelangt.

Abgesehen von dem Vorhandensein eines vierten, zusätzlichen Schalters mit dem Kontakt 10 ist ein wesentlicher Nachteil darin zu sehen, dass die Überbrückungszweige auch den Summenstromwandler bzw. dessen Kern 3 mit einbeziehen.

Des Weiteren besitzt eine Ausführung nach der DE 44 32 643 A1 sämtliche Mängel, die bereits weiter oben beschrieben wurden, wobei z.B. ungleiche Kontaktwiderstände und nicht absolut synchronisierte Schließvorgänge dazu führen, dass nach dem Prüfvorgang der erste Schalter nicht mehr eingelegt werden kann.

Das Dokument EP 1 562 213 A1 beschreibt einen Fehlerstromschutzschalter, der einerseits wie üblich nach dem Stand der Technik, z.B. Fig. 1 dieser Anmeldung, betrieben werden kann, oder der andererseits durch Umlegen eines Schalters 25 in einen Modus gebracht werden kann, bei dem Prüfungen zeitgesteuert automatisch ablaufen. Wird im automatischen Ablauf ein Aktivierungssignal gegeben, so werden über einen eigenen Antrieb 10 Kontakte 13, 14 und 12 geschlossen, wobei die Kontakte 13 und 14 Überbrückungskontakte für den Hauptschalter sind. In diesem Zustand wird ein Diagnosestrom, z.B. 30 mA, generiert, wodurch die Kontakte 8 des Hauptschalters öffnen müssen. Nun wird überprüft, ob die Kontakte des Hauptschalters geöffnet haben. Die Auslösung des Schalters beim Prüfvorgang erfolgt nicht über den Schalter 6 und den Widerstand 7 in herkömmlicher Weise, sondern durch die Erzeugung eines eigenen Prüfstroms in einem Steuerteil 5. Es gibt noch einen weiteren Schalter 22, der mit dem Hebel des Hauptschalters gekoppelt ist, und dessen Position rückmeldet. Nach dem Öffnen des Hauptschalters, wird dieser durch einen weiteren Antrieb 20 wieder geschlossen und es erfolgt auch eine Prüfung, ob der Schalter tatsächlich geschlossen hat (über den Kontakt 22 und die Leitung 23). Ist dies der Fall, wird die Überbrückung wieder geöffnet. Sollte der Hauptschalter offen bleiben, so bleibt die Überbrückung geschlossen, kann aber über die Steuerung 5 auch ausgelöst werden. Im üblichen mechanischen Modus, bei dem der Taster 6 verwendet wird, können die Kontakte des Hauptschalters nicht überbrückt werden.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, mit geringem Aufwand jedoch bei hoher Zuverlässigkeit die vorgeschriebene bzw. gewünschte Überprüfung des Fehlerstromschutzschalters durchführen zu können, ohne dass sich die oben genannten ungewollten Betriebsunterbrechungen mit ihren Folgeerscheinungen ergeben.

Diese Aufgabe wird mit einem Fehlerstromschutzschalter der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß die Überbrückungszweige je eine Wicklung eines Symmetriertransformators enthalten.

Dank der Erfindung können herkömmliche, nach dem Stand der Technik ausgebildete Schutzschalter ohne Eingriffe in diese nachgerüstet werden bzw. es können die Überbrückungszweige zum Überprüfen des Schutzschalters auch nur vorübergehend angeklemmt werden.

In der Praxis ist es zweckmäßig, wenn der Symmetriertransformator ein Stromwandler ist.

Bei einer vorteilhaften Variante ist weiters vorgesehen, dass bei zwei zu überwachenden Leitungen in einem ersten Überbrückungszweig die Primärwicklung eines ersten Stromwandlers und in einem zweiten Überbrückungszweig die Primärwicklung eines zweiten Stromwandlers gelegen ist und die Sekundärwicklungen beider Stromwandler miteinander verbunden sind. 4 AT 505 635 B1

Im letztgenannten Fall kann ein Überspannungsschutz einfach dadurch erhalten werden, dass parallel zu den Sekundärwicklungen beider Stromwandler ein Überspannungsableiter geschaltet ist. 5 Schließlich kann es zweckmäßig sein, wenn der dritte mehrpolige Schalter als unterbrechungsfreier Umschalter ausgebildet ist, da in diesem Fall die Kontaktwiderstände bzw. der Ablauf beim Schließen der Kontakte keinerlei Probleme bereiten können.

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungen io näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Fehlerstromschutzschalters nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 das Prinzipschaltbild der Überbrückung eines Fehlerstromschutzschalters,

Fig. 3 die Schaltung einer ersten praktischen Ausführungsform eines Fehlerstromschutzschal-15 ters nach der Erfindung und

Fig. 4 die Schaltung einer zweiten praktischen Äusführungsform eines Fehlerstromschutzschalters nach der Erfindung.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie ein Fehlerstromschutzschalter mit Hilfe eines 2-poligen Schalters S3 20 durch Überbrückungszweige Z1, ZN überbrückt werden kann.

Mit Rh.li, Rr.n, Rp.li und RP,N sind die Kontaktwiderstände der Schalter des ersten bzw. dritten Schalters bezeichnet. Zunächst sollen die bei einem solchen Fehlerstromschutzschalter auftretenden Probleme samt deren Abhilfe untersucht werden. 25

Im Normalbetrieb ist der erste Schalter S1 geschlossen, und die Last L wird versorgt.

In einem ersten Schritt (Schritt 1) wird der dritte Schalter S3 geschlossen um die Kontakte des ersten Schalters S1 zu überbrücken. In diesem Fall wird vorausgesetzt, dass alle Kontakte des 30 dritten Schalters S3 gleichzeitig schließen.

Nun fließt der Laststrom teils über die Kontakte des dritten Schalters S3 und teils über die Kontakte des ersten Schalters S1 (Schritt 2). 35 Nach erfolgreichem Überbrücken der Kontakte des ersten Schalters S1 kann die Prüftaste, d.h. der zweite Schalter S2 betätigt werden, und der erste Schalter S1 muss wegen des auftretenden Fehlstroms auslösen (Schritt 3). Dies ist im Allgemeinen optisch, durch den Fall des Schalters S1, der ein Freischaltschaltschloss besitzt, ersichtlich gemacht. 40 Nach erfolgreicher Prüfung muss der erste Schalter S1 des Fehlerstromschutzschalter zurückgelegt, d.h. dessen Kontakte müssen wieder geschlossen werden (Schritt 4).

Sobald der erste Schalter S1 wieder geschlossen ist, d.h. der Fehlerstromschutzschalter eingeschaltet ist, können die Kontakte des dritten Schalters S3 wieder geöffnet werden und die Prü-45 fung ist beendet (Schritt 5).

Ist im Schritt 1 die Differenzzeit zwischen dem Schließen der Kontakte des dritten Schalters S3 größer als die Reaktionszeit des Fehlerstromschutzschalters, so löst dieser sofort aus und der Stromkreis ist für die Differenzzeit unterbrochen. 50

Falls im Schritt 2 die Stromdifferenz über die beiden Kontakte des ersten Schalters S1 größer ist als der Fehlemennstrom, würde der Schalter sofort auslösen. Dies wäre kein Problem, da die Last bereits über den Schalter S3 versorgt wird. Das Problem tritt im nächsten Schritt auf, da der ursprüngliche Zustand auf Grund des Differenzstroms nicht wieder hergestellt werden kann. 55

Claims (5)

1. 5 AT 505 635 B1 Falls der Differenzstrom im Fehlerstromschutzschalter zu groß war, so dass es in Schritt 2 zu einer Auslösung kam, kann der erste Schalter S1 nicht wieder eingelegt werden, da dieser sofort wieder auslöst. Auch wenn kein Differenzstrom vorhanden ist, würden die unterschiedlichen Kontaktierungszeiten der Kontakte des zweiten Schalters S2 ebenfalls zu einer sofortigen Auslösung führen. Da der Fehlerstromschutzschalter mit einem Freischaltschloss ausgestattet ist bzw. sein muss, ist auch ein „Halten“ des Schalters nicht möglich. Insgesamt zeigt sich, dass die Überbrückung der Kontakte des ersten Schalters S1 durch den dritten Schalter S3 in der in Fig. 2 angegebenen Weise nur dann zielführend sein kann, wenn sehr schnelle Schalter eingesetzt werden und das Verhältnis der Kontaktwiderstände des ersten Schalters S1 im wesentlichem jenem der Kontaktwiderstände des dritten Schalters S3 entspricht. Tatsächlich sind diese beiden Forderungen allerdings in der Praxis nur schwer bzw. unter hohen Kosten realisierbar. Aufbauend auf der Ausführung nach Fig. 2 wurde eine Lösung geschaffen (Bypassschaltung ohne Überbrückung des Summenstromwandlers), die Gegenstand der österreichischen Patentanmeldung A 1576/2007 ist. Abweichend davon wird nachstehend eine Lösung unter Verwendung eines Symmetriertransformators beschrieben. Die Erfindung ist somit im Folgenden unter Bezugnahme in den in Fig. 3 und 4 beschriebenen Ausführungsvarianten dargestellt, welchen der Gedanke der Symmetrierung der Ströme in den Überbrückungszweigen zu Grunde liegt, die sich, wie bereits erwähnt, besonders zum nachträglichen Aufrüsten bereits vorhandener, herkömmlicher Fehlerstromschutzschalter eignen. Fig. 3 zeigt die Verwendung eines Symmetriertransformators SW in der Überbrückung der Kontakte des ersten mehrpoligen Schalters S1. Genauer gesagt enthalten die Überbrückungszweige Z1, ZN je eine Wicklung des Symmetriertransformators SW, der als Stromwandler mit einem Übersetzungsverhältnis 1:1 ausgebildet ist. Wenn bei dem dritten Schalter S3 ein Kontakt vor dem anderen schließt, stellt sich an dem Wandler seiner Leerlauf-Kennlinie entsprechend nur ein sehr kleiner Strom ein. Die treibende Spannung an dem Wandler entspricht dem Spannungsabfall an dem Kontaktwiderstand des ersten Schalters S1. Es lässt sich leicht berechnen, dass bei einem Kontaktwiderstand von z.B. 50 ιπΩ und einem Laststrom von 16 A die genannte Spannung 0,8 V beträgt. Abhängig von der Leerlaufkennlinie stellt sich dadurch ein Strom von lediglich einigen mA ein, der für sich nicht zu einer Auslösung des Fehlerstromschutzschalters führt. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform liegt bei zwei zu überwachenden Leitungen N, L1 in einem ersten Überbrückungszweig Z1 die Primärwicklung WP1 eines ersten Stromwandlers SW1 und in einem zweiten Überbrückungszweig Z2 die Primärwicklung WP2 eines zweiten Stromwandlers SW2, wobei die Sekundärwicklungen WS1, WS2 beider Stromwandler miteinander verbunden sind. Diese Ausführung bietet den zusätzlichen Vorteil, dass parallel zu den Sekundärwicklungen WS1, WS2 beider Stromwandler SW1, SW2 ein Überspannungsableiter UE geschaltet werden kann, um die Stromwandler zu schützen. Es ist somit klar, dass bei den Ausbildungen nach den Fehlerstromschutzschalter Fig. 3 und 4 eine Funktionsprüfung ohne Unterbrechung des Laststromkreises möglich ist. Durch Betätigen des Tastschalters S3 werden die Kontakte des ersten mehrpoligen Schalters S1 über den sym-metrierten Nebenzweig Z1, ZN überbrückt, so dass er während dieses Vorgangs nicht auslöst. Nun kann die Funktionsprüfung mittels des Tastschalters S2 durchgeführt werden, ohne den Stromkreis zu unterbrechen. Nach erfolgreicher Prüfung muss der Fehlerstromschutzschalter mit Hilfe des Schalters S1 wieder eingeschaltet werden, und anschließend muss der Tastschalter S3 wieder deaktiviert werden. Patentansprüche: 1. Fehlerstrom-Schutzschalter mit einem Summen-Stromwandler (RK, W, SC) für zu überwa- 6 AT 505 635 B1 chende Leitungen (L1, N), welche über die Kontakte eines mehrpoligen, ersten Schalters (S1) geführt sind, wobei dieser Schalter in seiner Schließstellung von einem Schaltschloss (SC) gehalten ist, welches bei Überschreiten einer vorgegebenen Stromdifferenz in den Leitungen den Schalter im Sinne eines Öffnens seiner Kontakte auslöst, und mit einem zweiten, als Prüftaster ausgebildeten Schalter (S2), bei dessen Schließen ein definierter, zum Auslösen des Schalters hinreichender Fehlstrom von einem Leiter abgezweigt wird, und zur vorübergehenden Überbrückung der Kontaktstrecken des ersten mehrpoligen Schalters (S1) mit Überbrückungszweigen (Z1, ZN) ein dritter mehrpoliger Schalter (S3) vorgesehen ist, der in Richtung seiner Öffnungsstellung federbelastet und nicht feststellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückungszweige (Z1, ZN) je eine Wicklung eines Symmetriertransformators (SW; SW1, SW2) enthalten.
2. 2. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Symmetriertransformator (SW; SW1, SW2) ein Stromwandler ist.
3. 3. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei zu überwachenden Leitungen (L1, N) in einem ersten Überbrückungszweig (Z1) die Primärwicklung (WP1) eines ersten Stromwandlers (SW1) und in einem zweiten Überbrückungszweig (ZN) die Primärwicklung (WP2) eines zweiten Stromwandlers (SW2) gelegen ist und die Sekundärwicklungen (WS1, WS2) beider Stromwandler (SW1, SW2) miteinander verbunden sind.
4. 4. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Sekundärwicklungen (WS1, WS2) beider Stromwandler (SW1, SW2) ein Überspannungsableiter (UE) geschaltet ist.
5. 5. Fehlerstrom-Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte mehrpolige Schalter (S3) als unterbrechungsfreier Umschalter ausgebildet ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen