Differenzstromschutzschalter mit besonderem Kernmaterial

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzstromschutz- schalter, Di-Schalter genannt, der mit Summenstromwandler und Auslöseeinrichtung in einem Sekundärkreis an der Sekundär¬ wicklung des Summenstromwandlers arbeitet, im einzelnen nach Gattungsbegriff von -Anspruch 1. Schaltkontakte für zu schüt- zende Leiter sind im Primärkreis angeordnet.

Di-Schalter arbeiten mit elektronischer Auswertung bzw. Ver¬ stärkung und benötigen eine Spannungsversorgung für ihr Bord¬ netz. Sie ermöglichen es jedoch, außer Wechselfehlerströmen und pulsierenden Gleichfehlerströmen auch glatte Gleichfeh¬ lerströme durch besondere Abstimmung oder besondere Vorkeh¬ rungen zu erfassen und auszulösen. In der Praxis möchte man Einheiten vorsehen, die zur Erfassung von Wechselfehlerströ¬ men und pulsierenden Gleichfehlerströmen abgestimmt sind und andere Einheiten, die zur Erfassung von glatten Gleichfehler¬ strömen eingerichtet sind. Hierbei ist es hinderlich, daß bei den herkömmlichen Summenstromwandlern auch die Einheiten, die auf die Erfassung von Wechselfehlerströmen und pulsierenden Fehlerströmen eingerichtet sind, durch glatte Gleichfehler- ströme in ihrer Auslösung unempfindlicher werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechsel- oder Wechsel- und pulsstromsensitiven Di-Schalter zu entwickeln, für dessen Summenstromwandler ein Kernmaterial bereitgestellt wird, das durch glatte Gleichfehlerströme innerhalb der Aus¬ lösegrenze einer gleichstromsensitiven Differenzstromeinrich¬ tung in seiner Empfindlichkeit für Wechselfehlerströme und pulsierende Fehlerströme nicht unzulässig beeinflußt wird. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, einen Dif- ferenzstromschutzschalter zu entwickeln, dessen Nennfehler¬ strom in weiten Bereichen, insbesondere zwischen 30 mA und 3 A, einstellbar ist, ohne das Konstruktionsprinzip bei der

Einstellung auf verschiedene Nennfehlerströme verlassen wer¬ den müßte.

Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt durch einen DI- Schalter nach Anspruch 1. Danach weist der Summenstromwandler ein Kernmaterial mit folgenden Werten auf:

- die Remanenzinduktion nach Erregung mit H = 500 mA/cm, Br, steht zur Induktion bei H = 500 mA/cm, Bmax, in der Bezie- ^hun ^ _B ^fc ≤ 0 ^, 5;

- die relative Permeabilität, μr, ist bei kleinen Wechselaus¬ steuerungen von 4 mA/cm, μ4, ≥ 30 000;

- die reversible Permeabilität, also die relative Permeabilität bei Gleichfeldaussteuerung mit H = 250 mA/cm und überlagerter kleiner Wechselfeldaussteuerung, μrev, ist > 3000;

- die Induktion mit Wechselfeldstärke, B, bei einer Frequenz von 50 Hz und einer Amplitude von 50 mA/cm beträgt B > 0,6 T.

Die erste Bedingung, auch als erster Garantiewert bezeichnet, wird bei 50 Hz Wechselspannung ohne eine Gleichrichteranord¬ nung ermittelt, also bei Wechselströmen und nicht bei pulsie¬ renden Strömen, sei es infolge von Einweg- oder Doppelweg¬ gleichrichtung. Die anderen Bedingungen bzw. Garantiewerte werden bei den angegebenen Bedingungen ermittelt.

Ein Di-Schalter mit einem Summenstromwandler, der die angege¬ benen Bedingungen erfüllt, wird in seinem Auslöseverhalten durch überlagerte Gleichfehlerströme nicht unzulässig beein¬ trächtigt. Andererseits kann ein Di-Schalter nach einem Kon- struktionsprinzip auf verschiedene Nennfehlerströme in einem weiten Bereich von insbesondere 30 A bis 3 A eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich DI- Schalter als Erfassungseinheit für Wechselfehlerströme und pulsierende Gleichfehlerströme und als Erfassungseinheiten für glatte Gleichfehlerströme spezialisieren lassen, wobei im Auslόsebereich keine unzulässige gegenseitige Beeinflussung auftritt, so daß vorgegebene Auslόsefehlerstrόme von der je-

weils zuständigen Erfassungseinheit eingehalten werden kön¬ nen.

Um die Auslösefehlerstrδme zwischen + 85° C und - 25° C für die Praxis ausreichend konstant zu halten, ist es vorteil¬ haft, die Bedingungen nach Anspruch 2 zu erfüllen. Zwischen der Induktion B bei + 25° C, B+25, und der Induktion B bei - 25° C, B-25, sowie der Induktion B bei + 85° C, B+85, sollten hierzu die Beziehungen bestehen:

B-25 0,85 ≤ ——- ≤ 1,15 B+25

_Λ 0,8„5 _r. ≤ _m^ B+85 ^ ≤ 1,,1„5 _e .

B+25

Diese Beziehung soll in einem Bereich der Feldstärke H: 4 mA/cm ≤ H ≤ 400 mA/cm - bestehen.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden:

In FIG 1 ist ein Diagramm wiedergegeben, bei dem auf der Ab¬ szisse die Feldstärke H in der Einheit von 0,05 A/cm abge- tragen ist und auf der Ordinate die Induktion B in der Einheit von 0,2 T.

In FIG 2 ist die reversible Permeabilität, also die relative Permeabilität bei Gleichfeldaussteuerung mit einer Feldstärke von 250 mA/cm und überlagerter kleiner Wechselfeldaussteue¬ rung, μrev, veranschaulicht. Auf der Abszisse ist die Gleich¬ feldstärke H_ und auf der Ordinate die Induktion B abgetra¬ gen. Die reversible Permeabilität μrev ergibt sich als Quo¬ tient von ΔB~ zu ΔH~.

In FIG 3 ist ein Diagramm dargestellt, auf dessen Abzisse die Feldstärke H in mA/cm und auf der Ordinate die Induktion B in T aufgetragen ist. Der untere Wert der Diagrammkurve bei 4 mA/cm veranschaulicht die zweite Bedingung nach Patentan- spruch 1, der obere Wert bei 250 mA/cm die dritte Bedingung

und der mittlere Wert bei 50 mA/cm die vierte Bedingung. Die Kurve erlaubt Interpolationen für Zwischenwerte.

Bei einem Di-Schalter mit einem Summenstromwandler aus dem Kernmaterial nach den angegebenen Bedingungen sorgt die erste Bedingung, _B jj^ _χ ≤ 0,5, in Verbindung mit der zweiten Be¬ dingung für μ4 für sicheres Auslösen bei kleinen Nennfehler¬ strömen und die dritte Bedingung in Verbindung mit der vier¬ ten Bedingung für sicheres Auslösen bei großen Nennfehler- strömen. Die zweite Bedingung sorgt im Hinblick auf die übli¬ che Diodenspannung von 0,7 V - und beispielsweise antiparal¬ lelen Dioden als Oberspannungsschutz - für Stoßstromfestig¬ keit.

Im Diagramm nach FIG 1 ist die magnetische Induktion B über der Feldstärke H aufgetragen. Die Kurve ist bei einer Wech¬ selaussteuerung mit 50 Hz aufgenommen. Sie veranschaulicht die erste Bedingung, wonach J^ ≤ 0,5 ist. Die Feldstärke ist bei kleinen Primärwindungen, insbesondere bei lediglich einem durchgesteckten Leiter, also Nl = 1, und bei den in der Praxis bei höheren Nennfehlerströmen, wie beispielsweise Jn = 400 A, erforderlichen großen Ringkernen sehr klein, d. h. man erhält nur eine kleine Induktion B. Damit der Auslösefehler¬ strom unabhängig von der Vormagnetisierung durch glatten Gleichstrom wird, ist ein Kernmaterial vom sogenannten Typ F- Material mit _B ~f _x ≤ 0,5 zu wählen. Dem Beispiel nach FIG 1 liegt ein Kernmaterial mit den nachstehenden Werten zugrunde: Hierbei ist die Koerzitivfeldstärke(Schnitt mit der Abszisse,) mit Hc, die Remanenzinduktion mit Br, die Scheitefeldstärke mit H und der Scheitelwert der Induktion mit B wiedergege¬ ben. Der Querschnitt des Ringkerns ist mit A _Fe , die Eisenweg¬ länge mit lp _e , die Frequenz mit f und die Windungszahlen pri- märseitig mit Nl und sekundärseitig mit N2 bezeichnet. Der Ringkerndurchmesser ist außen mit da und innen mit di, seine Höhe mit h und die Meßtemperatur mit t bezeichnet. Eine Ober¬ lagerung durch Gleichstrom liegt nicht vor. Der FIG 1 zu-

gründe liegende Ringkern weist beispielsweise die Daten auf:

H _c = 0,0254 A/cm

Br = 0,3793 T δmax = 0,4998 A/cm

Bmax = 0,9947 T

A _Fe = 0,945 cm ³ l _{Fe *} 24,19 cm f = 50 Hz N-*. = 10

N2 = 10 d _a = 8,40 cm di = 7,00 cm h = 1,50 cm t = 23° C

Es ergibt sich hierbei ^ ^r _ o,38.

In FIG 2 ist die dritte Garantiebedingung für die reversible Permeabilität, μrev, veranschaulicht. Die reversible Permea- bilität ergibt sich als Quotient aus ΔB~ zu ΔH~. Bei hohen Gleichfehlerströmen bzw. hohen Gleichfeldstärken und kleinen überlagerten Wechselfehlerströmen, wird das Material im Be¬ reich der Sättigung betrieben. Die reversible Permeabilität, der Quotient ΔB~ zu ΔH~ nimmt für zunehmende Gleichfeldstär- ken H_ ab. Damit in einem Arbeitspunkt mit großer Gleichfeld¬ stärke ein ausreichend großes Signal bei Wechselfehlerströmen zur Verfügung steht, sollte die reversible Permeabilität in diesem Arbeitspunkt ausreichend groß sein. Für große Nenn¬ fehlerströme in der Größenordnung von 3000 mA bzw. 3 A und einer Auslöseschwelle für Wechselstrom zwischen 1,5 und 3,0 A ist die Einhaltung der dritten Bedingung für die reversible Permeabilität besonders dann angezeigt, wenn die Sekundär¬ wicklung des Wandlers niederohmig beschaltet ist und trotz einem großen Wert für die primäre Amperewindungszahl, die Primärdurchflutung, nur eine geringe Wechselaussteuerung er¬ reicht wird.

Im Diagramm nach FIG 3 gibt der Verlauf der Kurve bei einer Feldstärke H von 250 mA/cm die dritte Bedingung, also für die reversible Permeabilität, wieder und für die Feldstärke von 4 mA/cm die zweite Bedingung, also für μ4, wieder. Die vierte Bedingung wird durch den mittleren Kurvenwert für B > 0,6 T veranschaulicht. Die Steigung der Kurve ist gemäß der Bezie-

ΔB hung -— proportional zu μrev • μO, wobei μO die magnetische ΔH

Feldkonstante bzw. Induktionskonstante ist.

Nach FIG 3 ist die B-H-Kennlinie für eine Wechselaussteuerung bei 50 Hz aufgenommen. Eine derartige Kennlinie ist meßtech¬ nisch leichter aufzunehmen und gibt die statischen Verhält¬ nisse dann besonders gut wider, wenn vorteilhafterweise nano- kristalline Kernmaterialien verwendet werden, die in sehr dünnen Bändern aufgewickelt werden können. Die Wirbelstrom¬ verluste bei 50 Hz können dann vernachlässigt werden. Die Kennlinie nach FIG 3 stimmt dann mit einer langsam durchfah- renen B-H-Kennlinie ύberein. Summenstromwandler aus einem Kern aus nanokristallinem Material, das in dünnen Bändern aufgewickelt ist, sind auf dem Markt. Die hier erläuterten

Bedingungen sind in Verbindung mit derartigem Material beson¬ ders vorteilhaft und am leichtesten zu realisieren.