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"Fehlerstromschutzschalter"
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Fehlerstromschutzschalter gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus Sicherheitsgründen, insbesondere zur Vermeidung unzulässig hoher
Berührungsspannungen, wird seit einiger Zeit auch in/lichtslgnalanlägen die Verwendung
von empfindlichen Fehlerstromschutzschaltern mit etwa 30 mA Nennfehlerstrom gewUnscht.
Da die Leitungen zu den einzelnen Signallampen als Kabel ausgebildet sind und oftmals
eine solche Länge haben, daß die Kabelkapazitäten gegenüber der Erde groß sind,
kann es unter besonderen Voraussetzungen zu Fehlauslösungen der Fehlerstromschutzschalter
kommen. Dabei sind im wesentlichen zwei Fälle zu unterscheiden: Im ersten Falle
führt ein Einschalten des Lichtsignalschaltgerätes immer dann, wenn dessen Schaltkontakt
in dem Augenblick schließt, in dem die Netzspannung einen hohen Augenblickswert
hat, zu einer Auslösung, weil dann ein kurzer StromstoB, der erheblich über dem
Ansprechwert des Fehlerstromschutzschalters liegt, zur Erde fließt. Dies ist schon
dann untragbar, wenn eine solche Fehlauslösung bei jeder 100. Schaltung des Lichtsignalanlagen
-Schaltgerates
stattfindet.
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Im zweiten Falle besteht das Problem in folgendem: Aufgrund der Kabelkapazitnten
gegen Erde fließt ein Kabelableitstrom dauernd durch die Primärwicklungen im Summenstromwandler.
Damit ist aber von vornherein eine gewisse Unsymmetrie gegeben, so daß in der Sekundärwicklung
dauernd eine Spannung erzeugt wird, deren Höhe allerdings im allgemeinen noch nicht
zur Auslösung ausreicht. Beispielsweise beträgt bei einer Kabelkapazität von 0,2
iuF der kapazitive Kabelableitstrom ca. 11 mA. Tritt nun ein "echter" Fehlerstrom
auf, d.h. ein ohmscher Ableitatrom, dann addiert sich dieser Strom vektoriell zu
dem kapazitiven Kabelableitstrom, so daß ein Fehlerstromschutzschalter, der normalerweise
bei 20 mA Fehlerstrom auslöst, u.U. bereits auf einen Fehlerstrom von etwa 14 mA
anspricht.
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Aus diesem Grund ist es erforderlich, derartige Kabelableitströme
insbesondere bei Fehlerstromschutzschaltern hoher Empfindlichkeit zu kompensieren.
Eine Einrichtung, mit der kapazitive Ableitströme kompensiert werden können, ist
in einem Vorschlag der Hamburgischen Elektrizitätswerke AG an die VDE-Vorschriften-Stelle
vorgeschlagen worden. Dabei wird für Einphasenbetrieb einer Lichtanlage ein vierpoliger
Fehlerstromschutzschalter verwendet, wobei zwei der vier Pole des. Fehlerstromschutzschalters
allein zur Kompensation verwendet werden. Die Kompensationseinrichtung ist zwischen
dem Phasenleiter und dem Nulleiter geschaltet und enthält eine Kompensationskapazität
und mit dieser in Reihe die beiden Wicklungen des Summenstromwandlers, wobei diese
Wicklungen vom Kompensationsstrom in der Richtung durchflossen werden, welche der
Richtung entgegengesetzt ist, in der der Kabelableitstrom die Primärwicklungen der
Netzleitung durchströmt.
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Anders ausgedrückt: Der Kompensationsstrom erzeugt im Summenstromwandler
eine Durchflutung, welche der Durchflutung entgegengesetzt ist, die durch den Kabelableitstrom
erzeugt wird.
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Eine solche Anordnung ist schon deshalb nachteilig, weil zur Überwachung
eines aus Hin- und Rückleitung bestehenden Netzes ein vierpoliger Fehlerstromschutzschalter
erforderlich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Fehlerstromschutzschalter der
eingangs genannten Art mit einer Kompensationseinrichtung zu versehen, welche sowohl
einfach aufgebaut ist und bei welcher Pole eines mehrpoligen Fehlerstromschutzschalters
zur Kompensation nicht herangezogen werden müssen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Reihe mit
den Kompensationskondensatoren eine auf dem Summeustromwandler aufgewickelte Kompensationswicklung
geschaltet ist, welche im Suinmenstromwandler eine der durch den kapazitiven Ableitatrom
erzeugten Induktion entgegengerichtete Induktion erzeugt, und daß der Anschlußpunkt
der Kompensationseinrichtung auf dem Nulleiter auf der Verbraucherseite des Suinmenstromwandlers
liegt.
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Mit diesem Fehlerstromschutzschalter mit der die kapazitiven Ableitströme
kompensierenden Schaltung wird auf einfache Weise ohne zusätzliche Bauteile eine
den Gegebenheiten des jeweiligen Falles ausreichende Kompensation der Ableitströme
erzielt.
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In vorteilhafter Weise wird der Kompensationskondensator so bemessen
werden, daß er der Kabelableitkapazität entspricht.
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Außer dem Kompensationskondensator kann zusätzlich auch die Kompensationswicklung
- gegebenenfalls mit gegenseitiger Abstimmung - so bemessen sein, daß der Kompensationsstrom
dem zu erwartenden Kabelableitstrom entspricht. Dabei kann vorteilhaft die Anzahl
der Windungen der Kompensationswicklung der Anzahl der Windungen von Primär- oder
Sekundärwicklung entsprechen. Damit wird eine optimale Kompensation erreicht.
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In vorteilhafter Weise kann der Kompensationskondensator in das Gehause
des Fehlerstromschutzschalters integriert sein.
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Zur Vereinfachung des Fehlerstromschutzschalters kann die Kompensationswficklung
gleichzeitig als Zusatzwicklung in einem Prüfstromkreis zur Uberprüfung der Funktionsfähigkeit
verwendet werden.
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Besitzt eine Lichtsignalanlage mehrere Lampen oder Lampengruppen,
die zu unterschiedlichen Zeitphasen eingeschaltet werden, dann können für jede Lampe
oder Tampengruppe eine eigene, der jeweiligen Kabelableitkapazität möglichst gleiche
Kompensationakapazität eingesetzt werden, die dann miteinander verbunden und der
geeignet bemessenen Kompensationswicklung aufgeschaltet werden.
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Anhand der Zeichnung sollen vier Ausführungsbeispiele der Erfindung
sowie die Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigen: Fig. 1 bis 4 vier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Fehlerstromschutzschalters.
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Die Fig. 1 zeigt eine mittels eines Fehlerstromschutzschaltersl geschützte
Lichtsignaleinrichtung 2, welche aus einer Lichtsignalschaltanlage 3 und Signallampen
4 aufgebaut ist.
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Innerhalb der Lichtsignalschaltanlage 3 befindet sich ein mittels
einer nicht weiter dargestellten Anordnung betätigbarer Schalter 5, der die Signallampen4
entsprechend dem Signalrhythmus zu- oder ausschaltet. Die Zuführungsleitung zur
Stromversorgung ist mit R und die Rückleitung mit M bezeichnet.
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Dadurch, daß die Lichtsignalanlage öder -einrichtung 2 über Kabel
mit Strom versorgt wird, besteht die Möglichkeit, daß - Je nach Länge der Kabel
- mehr oder weniger große Kabelableitströme kapazitiver Art zur Erde auftreten.
Die gesamte Kapazität der Kabel gegen Erde ist durch das Symbol eines Kondensators
dargestellt, welcher die Bezugsziffer 6 aufweist und über den der Leiter R mit Erde
E verbunden ist.
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Der Lichtsignalanlage 2 ist der Fehlerstromschutzschalter 1 vorgeschaltet,
welcher eine bekannte Fehlerstromauslöseeinrichtung aufweist, die einen Summenstromwandler
besitzt, durch den die Leiter R und Mp als Primärwicklungen hindurchgeführt werden.
Die Wicklungen der Leiter R und Mp sind mit den Bezugsziffern 7 und 8 dargestellt,
während die Sekundärwicklung zur Aufgabe eines Spannungsimpulses an einer Auslöseeinheit
9 mit einem Auslösemagnet 10 und dem eigentlichen Schaltschloß 11 zur Betätigung
von Kontakten 12 die Bezugsziffer 13 erhält.
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Zur Kompensierung des kapazitiven Ableitstromes ist eine Kompensationseinrichtung
vorgesehen, welche einen Kompensationskondensator 15 und eine auf den nicht weiter
dargestellten Summenstromwandler aufgebrachte Kompensationswicklung 16 in Reihenschaltung
aufweist, welche einerseits an die Ausgangsklemme 14 der Lichtsignalanlage 2 geschaltet
und andererseits auf der Verbraucherseite des Summenstromwandlers am Punkt 17 mit
dem Nulleiter Mp verbunden ist.
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Bei Anschaltung der Signallampen 4 und Auftreten eines Kabelableitstromes
über die Kapazität 6 wird zugleich ein Kompensationsstrom erzeugt, welcher, ausgehend
von der Klemme 14, über den Kompensationskondensator 15, die Kompensationswicklung
16 am Punkt 17 auf den Mp-Leiter und über die Wicklung 8 zurück fließt. Der Kondensator
15 ist zusammen mit der Wicklung 16 so ausgelegt, daß die in dem Summenstromwandler
erzeugte Induktion oderl22rchflutung genau entgegengesetzt ist der durch den Kabelableitstrom
erzeugten Induktion, so daß sich wenigstens diese beiden Induktionen aufheben und
insoweit der Summenstromwandler symmetrisch ist. Dabei ist es erforderlich, die
Wicklung 16 und den Kondensator 15 gemäß den zu erwartenden Kabelableitströmen auszulegen.
Da der Kompensationsstrom auch über die Wicklung 7 fließt, ist es zweckmäßig, die
Kompensationseinrichtung mit dem Nulleiter Mp hinter dem Summenstromwandler, also
auf dessen Verbraucherseite
anzuschließen, so daß dieser Kompensationsstrom
auch noch einmal über die Wicklung 8 in entgegengesetzter Richtung fließt, damit
die durch Zuführung des Kompensationsstromes erzeugte Magnetisierung ausgeglichen
ist. Somit kann die Auslegung der Kompensation mittels Kondensator 15 und Wicklung
16 genau an die Größen der Ableitwerte angeglichen werden.
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Anders ausgedrückt: Durch die Wicklung 7 des Summenstromwandlers fließt
sowohl der über die Kapazität 6 zur Erde E abfließende Kabelableitstrom als auch
der Kompensationsstrom. Damit aber müssen Maßnahmen getroffen werden, welche beide
durch die Wicklung 7 hindurchfließenden Anteile kompensieren. Dies geschieht eben
dadurch, daß der Teil des Gesamtstromes, der über die Kompensationseinrichtung fließt,
praktisch zweimal im Summenstromwandler die gleichgroße, aber entgegengesetzt gerichtete
Induktion induziert, so daß die gesamte, durch den Kabelableitstrom und den Kompensationsstrom
erzeugte Durchflutung im Summenstromwandler in sich kompensiert ist.
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Damit ist es möglich, den Kompensationskondensator oder die Kompensationskapazität
15 auf die vermutliche Größe der Ableitkapazität 6 zu bringen und die Wicklung 16
mit ebenso viel Windungen zu versehen, wie jede der Wicklungen 7 und 8 des Summenstromwandlers.
Allerdings kann, da es bei der Kompensation des Ableitstromes lediglich auf eine
Kompensation der magnetischen Durchflutung im Summenstromwandler (Ampere-Windungszahl)
ankommt, der Kompensationskondensator 15 auch eine andere Größe erhalten. Z.B. kann
die Kapazität des Kondensators auf die Hälfte verringert werden, wenn dafür die
Windungszahl der Wicklung 16 verdoppelt wird. Hier wird man zweckmäßigerweise ein
kostengünstiges Optimum herstellen. Bei der Auslegung einer Schaltung mit relativ
großer Kabelableitkapazität wird in weiterer Ausbildung erfindungsgemäß folgendermaßen
verfahren: Der Kompensationskondensator bzw. die Kompensationsdurchflutung wird
gerade so groß gewählt, daß bei der kleinsten zu erwartenden Kabelableitkapazität6gerade
noch keine Fehlauslösungen durch Uberkompensation auftreten. Beträgt beispielsweise
mit Sicherheit die Kabelableitkapazitat mindestens 0,1 po, so kann der Kompensationskondensator
mit
0,2 luF ausgelegt werden (hierbei sollen die WindungszahIen
der Wicklungen 16, 7 und 8 gleich sein). Bei einer Kabelableitkapazität von genau
0,1 juF ist zwar eine gewisse Uberkompensation vorhanden, jedoch führt diese noch
nicht zur Auslösung des Fehlerstromschutzschalters. Eine vollständige Kompensation
ist bei dieser Auslegung der Kompensation bei einer Kabelableitkapazität von 0,2
uF vorhanden, die Kompensation ist jedoch auch noch ausreichend bis zu Kabelableitkapazitaten
von ca. 0,3 MF.
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Selbstverständlich läßt sich die Kompensation auch für höhere Kabelableitkapazitäten
auslegen; jedoch ist der Bereich, in dem die Kompensation wirkt, selbstverständlich
begrenzt. B'ei einem Fehlerstromschutzschalter für 30 mA Fehlerstrom beträgt dieser
Bereich ungefähr 0,2 !um. Dies bedeutet, daß beispielsweise eine Kabelableitkapazität
zwischen 0,3 und 0,5 auf kompensiert werden kann, in dem ein Kompensationskondensator
von 0,4 cd in den Fehlerstromschutzschalter eingebaut wird.
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Durch die Kompensation des kapazitiven Ableitstromes mit Hilfe der
erfindungsgemäßen Kompensationseinrichtung wird außerdem- erreicht, daß die Ansprechwerte
für echte Fehlerströme, d.h. über ohmsche Ableitwiderstände abfließende Fehlerströme,
beim Anschalten der Kabel wie vorgesehen erhalten bleiben, d.h. innerhalb des üblichen
Toleranzbereiches.
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In der Fig. 2 ist eine der Fig. 1 entsprechende Kompensationseinrichtung
dargestellt, wobei der Kompensationskondensator 15 direkt in das Gehäuse des Fehlerstromschutzschalters
1 eingebaut wird. Im übrigen ist die Anordnung die gleiche wie die in der Fig. 1.
In den Fig. 1 und 2 befindet sich zwischen der Kompensationswicklung 16 und dem
Punkt 17 7 ein Anschlußpunkt für eine Prüfeinrichtung, welche einen Widerstand 18
und ein durch eine Prüftaste 19 zu betätigenden Schalter 20 aufweist.
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Die Prüfeinrichtung ist über einen der Pole des Fehlerstromschutzschalters
mit dem Leiter R verbunden, so daß bei Niederdrücken der Prüftaste und Schließen
des Kontaktes ein Strom vom Leiter Mp (ausgehend vom Punkt 17) über den Widerstand
18, den Pol des Fehlerstromschutzschalters zum Leiter R fließt.
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In einer weiteren Ausgestaltung (Fig. 3), die im übrigen wie die in
der Fig. 2 aufgebaut ist, ist der Kompensationskondensator 15 auf den Leiter zwischen
der Wicklung 16 und dem Widerstand 18 geschaltet, so daß die zur Kompensation dienende
Wicklung 16 zugleich im Prüfstromkreis liegt , d.h. für den Prüfstromkreis mitbenutzt
wird. Durch eine solche Verwendung der Wicklung 16 im Prüfstromkreis läßt sich der
Widerstand in diesem Kreis mit geringerer Leistung auslegen, weil der zur Auslösung
erforderliche Strom kleiner wird.
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Bei der Schaltung nach der Fig. 1 ist, wie oben dargestellt, der Kompensationskondensator
15 nicht cht im Fehlerstromschutzschalter 1 integriert. In diesem Falle kann auch
eine Kompensation mit anderen Bauelementen vorgenommen werden, z.B. mit Induktivitäten,
ohmschen Widerständen oder Kombination von verschiedenen Elementen, insbesondere
mit einer Parallelschaltung Widerstand und Kondensator. Diese Ausführungsformen
sind nicht weiter dargestellt. Wenn Fehlerstromschutzschalter mit Kompensationskondensatoren
immer der gleichen Kompensation verlangt werden, dann ist es sinnvoll, wie in der
Fig. 2 dargestellt, den Kompensationskondensator 15 direkt in das Gehause des FehlersÜmschutzschalters
zu integrieren.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, gemäß Fig. 4, bei
Lichtsignalanlagen und mehreren Lampen oder Lampengruppen, die zu unterschiedlichen
Zeitphasen eingeschaltet werden, an jede Lampe bzw. Lampengruppe eine eigene, der
jeweiligen Kabelableitkapazität möglichst gleiche Kompensationakapazität 22 anzuschalten
und diese gemeinsam an Punkt 21 anzuschließen.
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L e e r s e i t e