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Title:
THERMAL OVERLOAD PROTECTION FOR SWITCHES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1995/026586
Kind Code:
A1
Abstract:
A fault current safety switch has a thyristor (1) which when ignited simulates a fault current in a summing current transformer (5). An ohmic resistance (2) and a PTC resistance (3) interconnected in series are connected in parallel to the thyristor (1). The control line (4) of the thyristor (1) is connected between the ohmic resistance (2) and the PTC resistance (3). The PTC resistance (3) detects the temperature in the summing current transformer (5). When the temperature in the summing current transformer (5) exceeds a predetermined value, the PCT resistance (3) becomes highly resistive and the thyristor (1) is ignited by the control current that starts to flow through the control line (4), simulating a fault current and opening the contacts (10, 11) of the fault current safety switch. A test key (13) and a protective resistor (15) interconnected in series are mounted in parallel to the ohmic resistance (2) connected in series to the PTC resistance (3). When the test key (13) is depressed, closing the contact, the thyristor (1) is also ignited and simulates a fault current in the summing current transformer (5).

Inventors:
BRANDSTAETTER JOSEF
Application Number:
PCT/AT1995/000060
Publication Date:
October 05, 1995
Filing Date:
March 22, 1995
Export Citation:
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Assignee:
FELTEN & GUILLEAUME AG OESTER (AT)
International Classes:
H01H77/04; H02H1/06; H02H3/33; H02H5/04; (IPC1-7): H02H5/04; H02H3/33
Foreign References:
US3803455A1974-04-09
GB1136836A1968-12-18
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Claims:
Patentansprüche:
1. Thermischer Überlastschutz für Schalter, z.B. Fehlerstrom schutzschalter, mit einem thermisch beeinflußbaren Steuer¬ element (3), wie einem Bimetallschalter oder einem PTC Widerstand, das ein Schaltelement (1) derart betätigt, daß der Schalter die zu überwachende elektrische Anlage über einen Mechanismus freischaltet, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement ( 1 ) ein elektrisch steuerbarer Schalter, beispielsweise ein Thyristor, ist, dessen Steu¬ erleitung (4) durch das thermisch beeinflußbare Steuer¬ element (3) an Spannung gelegt wird.
2. Thermischer Überlastschutz nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß eine Prüftaste (13) vorgesehen ist, die die Steuerleitung (4) des elektrisch steuerbaren Schaltelementes (1) ebenfalls an Spannung legt.
3. Thermischer Überlastschutz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum elektrisch steuerbaren Schaltelement ( 1 ) eine Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand (2) und dem thermisch beeinflußbaren Steuer¬ element (3) angeordnet ist und daß die Steuerleitung (4) des elektrisch steuerbaren Schaltelementes ( 1 ) zwischen dem ohmschen Widerstand ( 2 ) und dem thermisch beeinflu߬ baren Steuerelement (3) angeschlossen ist.
4. Thermischer Überlastschutz nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ohmschen Widerstand (2) die Prüftaste (13) und ein weiterer ohmscher Widerstand (15) in Serie geschaltet sind.
5. Thermischer Überlastschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (4) des elektrisch steuerbaren Schaltelementes ( 1 ) mit dem Ausgang eines Summenstromwandlers ( 5 ) eines Fehlerstromschutz schalters verbunden ist.
6. Thermischer Überlastschutz nach einem der Ansprüche 1 bis5 dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch steuerbare Schaltelement ( 1 ) einen Magnetauslöser ( 25 ) an Spannung legt.
7. Thermischer Überlastschutz nach Anspruch 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das elektrisch steuerbare Schaltelement (1) einen Fehlerstrom im Summenstromwandler (5) simuliert.
8. Thermischer Überlastschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch steuerbare Schaltelement (1) über einen Gleichrichter (17), vorzugs¬ weise einen Brückengleichrichter, an Spannung liegt.
9. '.
10. Thermischer Überlastschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch steuerbare Schaltelement (1) ein Triac ist.
11. Thermischer Überlastschutz nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch beeinflußbare Steuerelement (3 ) dem Summenstromwandler ( 5 ) zugeordnet ist.
Description:
Thermischer Überlastungsschutz für Schalter

Die Erfindung betrifft einen thermischen Überlastschutz für Schalter, z.B. Fehlerstromschutzschalter, mit einem thermisch beeinflußbaren Steuerelement, wie einem Bimetallschalter oder einem PTC- iderstand, das ein Schalterelement derart betätigt, daß der Schalter die zu überwachende elektrische Anlage über einen Mechanismus freischaltet.

Fehlerstromschutzschalter (Fl-Schalter), eine bevorzugte An¬ wendungsform der Erfindung, werden in grundsätzlich zum Schutz von Personen und Tieren bei direktem oder indirektem Berühren von unter Spannung stehenden Teilen in elektrischen Anlagen eingesetzt. Um diese Aufgabe immer zuverlässig erfüllen zu können, müssen Fl-Schalter immer in Kombination mit richtig dimensionierten Vorsicherungen eingesetzt werden. Diese Vor¬ sicherungen sollten bei richtiger Auslegung den Schutz sowohl gegen thermische Überlastung bei Kurzschlüssen in der Anlage als auch bei längerandauernden Überlastströmen übernehmen.

Aus Gründen der Selektivität zu nachgeschalteten Überstrom- organen in den Endstromkreisen wird die Vorsicherung in der Praxis häufig möglichst hoch gewählt, wodurch ein Schutz der inneren FI-Elemente bei Überlaststrom (> 1,1 x I M des FI) durch Unterbrechen über die Vorsicherung nicht mehr gegeben ist. Dadurch kann aufgrund der Stromdichte in einigen FI-Komponen¬ ten eine Zerstörung oder vorschnelle Alterung auftreten.

Aber auch schon bei Überströmen zwischen den Nennwerten der Vorsicherung und des FI-Schalters kann es zu einer übermäßigen Erwärmung im Fl-Schalter kommen, ohne daß die Vorsicherung auslöst. Um eine Beschädigung des Fl-Schalters zu verhindern, müßte dieser auf den Normalbetrieb bezogen unwirtschaftlich überdimensioniert werden, oder eben einen zusätzlichen Über¬ lastschutz beinhalten.

Ein gattungsgemäßer Fehlerstromschutzschalter mit Temperatur-

ERSATZBLATT(REGEL2φ

Überwachung ist aus der DE-A-1 588 723 bekannt. Als thermisch beeinflußbares Steuerelement ist dabei ein Bimetallstreifen vorgesehen, der ein mechanisches Schaltelement betätigt, um einen Fehlerstrom im Schutzschalter zu simulieren und auf diese Weise die Schaltkontakte der Primärleitungen zu unter¬ brechen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten thermischen Überlastungsschutz für Schalter zur Verfügung zu stellen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Schaltelement ein elektrisch steuerbarer Schalter, beispielsweise ein Thyristor, ist, dessen Steuerleitung durch das thermisch beeinflußbare Steuerelement an Spannung gelegt wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Überlastschut- zes ist, daß das elektrisch steuerbare Schaltelement nicht nur für den Zweck des thermischen Überlastschutzes herangezogen werden kann, sondern auch für andere Zwecke, wie in der Folge gezeigt werden wird.

Inbesondere kann dabei gemäß der Erfindung vorgesehen sein, daß eine Prüf aste vorgesehen ist, die die Steuerleitung des elektrisch steuerbaren Schaltelementes ebenfalls an Spannung legt.

Es kann dabei auf drei verschiedene Arten zur Auslösung eines Fl-Schalters kommen, u.zw. zur Auslösung aufgrund eines Diffe- renzstromes zwischen zwei Leitern (Hauptaufgabe des FI ), zur Auslösung nach Betätigung der Prüftaste (simulierter Fehler¬ strom) nur für Prüfzwecke, und zur Auslösung durch Ansprechen des Thermoschutzes, wodurch wie bei Betätigung der Prüftaste ein Fehlerstrom simuliert wird.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfin¬ dung kann diese so weitergebildet sein, daß die Steuerleitung des elektrisch steuerbaren Schaltelementes mit dem Ausgang eines Summenstromwandlers eines Fehlerstromschutzschalters verbunden ist, wodurch sich der technische Aufwand des FI-

Schalters erheblich verringern läßt, da für alle drei Möglich¬ keiten, den Fehlerstromschutzschalter auszulösen, nur ein einziges Schaltelement benötigt wird.

In dieser Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, daß das elektrisch steuerbare Schaltelement einen Magnetauslöser an Spannung legt. Bei dieser Ausführungsform wird nicht ein Fehlerstrom simuliert, sondern es wird vom Schaltelement z.B. ein Arbeitsstromauslöser direkt an Spannung gelegt, der das Schaltschloß z.B. eines Fl-Schalters betätigt.

Je nach Art des Fehlerstromes unterscheidet man zwischen puls- stromsensitiven Fehlerstromschutzschaltern (A-Type) und wech- selstromsensitiven Fehlerstromschutzschaltern (AC-Type).

In einer Ausführungsform der Erfindung, die dadurch gekenn¬ zeichnet ist, daß das elektrisch steuerbare Schaltelement einen Fehlerstrom im Summenstromwandler simuliert, wird von einem als Thyristor ausgebildeten elektrisch steuerbaren Schaltelement immer die jeweils gleiche Netzspannungshalbwelle durchgeschaltet, was jedoch den Nachteil hat, daß nur die gegenüber dem wechselstromsensitiven Fehlerstromschutzschalter teureren pulsstromsensitiven Fehlerstromschutzschalter mit ihrem speziellen Kernmaterial zum Einsatz kommen können.

Um bei der vorliegenden Erfindung auch wechselstromsensitive Fehlerstromschutzschalter verwenden zu können, ist daher in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das elek- trisch steuerbare Schaltelement über einen Gleichrichter, vorzugsweise einem Brückengleichrichter, an Spannung liegt, oder daß das elektrisch steuerbare Schaltelement ein Triac ist.

Beide letztgenannten Ausführungsformen haben den Vorteil, daß jede Netzhalbwelle unabhängig von ihrer Polarität (bei der Ausführungsform mit einem Gleichrichter in für den Thyristor gleichgerichteter Form) durchgeschaltet werden kann, wodurch bei der Erfindung auch billigere wechselstromsensitive Fehler- stromschutzschalter zum Einsatz kommen können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer grundsätzlichen Schaltungs¬ anordnung gemäß der Erfindung, bei der ein Thyristor mit Hilfe eines PTC-Widerstandes, der einem thermisch zu überwachenden Bauteil eines Schutzschalters zugeordnet ist, geschaltet wer- den kann.

Fig. 2 die Anordnung der Schaltung von Fig. 1 in einer Aus- führungsform eines Fl-Schalters, bei der über den Thyristor ein Fehlerstrom in einem Summenstromwandler simuliert werden kann.

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 weiterentwickelte Ausführungs- form, bei der der Thyristor auch über eine Prüftaste angesteu¬ ert werden kann.

Fig. 4 eine im wesentlichen Fig. 3 entsprechende Ausführungs¬ form der Erfindung, die auch bei wechselstromsensitiven Feh¬ lerstromschutzschaltern eingesetzt werden kann und

Fig. 5 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der über das Schaltelement (Thyristor) nicht ein Fehlerstrom simuliert, sondern ein Arbeitsstromauslöser direkt an Spannung gelegt wird.

In Fig. 1 ist eine Schaltung für einen thermischen Überlast¬ schutz dargestellt, bei dem parallel zu einem als Thyristor ausgebildeten, elektrisch steuerbaren Schaltelement 1 eine Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand 2 und einem Widerstand 3 mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Wider- stand) angeordnet ist, wobei eine Steuerleitung 4 des Thyri¬ stors 1 zwischen dem ohmschen Widerstand 2 und dem PTC-Wider- stand 3 angeschlossen ist.

Der PTC-Widerstand 3 nimmt die Temperatur eines zu überwachen- den Bauteiles eines Schutzschalters, beispielsweise eines

Summenstromwandlers, an. Bei Normaltemperatur weist der PTC- Widerstand praktisch keinen Widerstand auf, so daß der Steuer¬ strom in der Steuerleitung 4 des Thyristors 1 nicht zum Zünden desselben ausreicht. Erwärmt sich jedoch der Summen- stromwandler und folglich auch der PTC-Widerstand 3 über einen vorgegebenen Wert, wird dieser rasch hochohmig, so daß der Thyristor 1 durch den nun höheren Steuerstrom gezündet wird und z.B. ein Auslöserelais an Spannung legt, um dadurch einen Schaltmechanismus des Schutzschalters zu betätigen.

Beispielsweise kommt die in Fig. 1 dargestellte Schaltung bei einem Fehlerstromschutzschalter zum Einsatz, dessen Aufbau, soweit er hier von Bedeutung ist, in Fig. 2 dargestellt ist.

Der Fl-Schalter gemäß Fig. 2 weist einen Summenstromwandler 5 auf, der einen Differenzstrom z.B. zwischen einer Phase 6 und einem Null-Leiter 7 erfassen kann und auf an sich bekannte Weise über einen Permanentmagnetauslöser 8 und ein Schalt¬ schloß 9 die Schaltkontakte 10 und 11 der Phase 6 und des Null-Leiters 7 öffnet.

Um einen Fehlerstrom zu simulieren und die Funktionsfähigkeit des FI-Schalters überprüfen zu können, ist die Phase 6 über einen ebenfalls vom Schaltschloß 9 betätigten Schaltkontakt 12, eine Prüftaste 13 und einen Prüfwiderstand 14 mit dem Null-Leiter 7 verbunden. Wird die Prüftaste 13 gedrückt und deren Kontakt geschlossen, kommt dies einem Fehlerstrom gleich und der Fl-Schalter wird betätigt.

Parallel zur Prüftaste 13 ist der in Fig. 1 dargestellte ther¬ mische Überlastungsschutz geschaltet, wobei der PTC-Widerstand 3 mit dem Summenstromwandler 5 thermisch gekoppelt ist. Über¬ schreitet die Temperatur im Summenstromwandler 5 einen vor¬ gegebenen Wert, zündet der Thyristor 1 auf die beschriebene Weise und es wird ebenfalls ein Fehlerstrom simuliert, wodurch der Fl-Schalter betätigt wird.

In Fig. 3 ist eine im wesentlichen Fig. 2 entsprechende Aus¬ führungsform der Erfindung dargestellt, wobei die Prüftaste 13 bei der Ausführungsform von Fig. 3 jedoch parallel zum ohm-

sehen Vorwiderstand 2 geschaltet wurde, der in Serie zum PTC- Widerstand 3 liegt. Die Prüftaste 13 ist über einen Vorwider¬ stand 15 an die Steuerleitung 4 des Thyristors 1 angeschlos¬ sen, wobei durch eine Diode 16 verhindert wird, daß der Strom beim Betätigen der Prüftaste 13 über den niederohmigen PTC- Widerstand 3 fließt, anstatt den Thyristor 1 zu zünden.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform weist gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform den Vorteil auf, daß mit Hilfe der Prüftaste 13 auch das als Thyristor ausgebildete Schaltelement 1 des FI-Schalters getestet werden kann.

Die in den Fig. 2 und 3 beschriebenen Ausführungsformen wei¬ sen, wie bereits erwähnt, den Nachteil auf, daß sie nur bei pulsstromsensitiven und somit teureren Fl-Schaltern zum Ein¬ satz kommen können, da vom Thyristor 1 immer nur die gleiche Netzhalbwelle durchgeschaltet wird.

Mit Hilfe der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß parallel zum Thyristor 1 eine Brückenschaltung 17 als Gleichrichter vorgeschaltet ist, so daß vom Thyristor 1 bei beiden Netzhalbwellen (zwi¬ schen Phase 6 und Null-Leiter 7) durchgeschaltet werden kann.

Um die Schaltung gemäß Fig. 4 vor Überspannung zu schützen, ist zwischen den netzseitigen Anschlüssen 18, 19 der Brücken¬ schaltung 17 ein Varistor 20 angeordnet. Um die Sicherheit der Schaltfunktion des Thyristors 1 zu gewährleisten, ist parallel zum Thyristor 1 eine Serienschaltung eines ohmschen Widerstan- des 21 und eines Kondensators 22 vorgesehen und parallel zur Strecke Gate 4 und Kathode des Thyristors 1 eine Parallel¬ schaltung aus Widerstand 23 und Kondensator 24. Im übrigen ist die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform auf gleiche Weise an die Phase 6 und den Null-Leiter 7 angeschlossen, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar¬ gestellt, bei der mit Hilfe des Schaltelementes 1 kein Feh¬ lerstrom im Summenstromwandler 5 simuliert sondern ein Ar- beitsstromauslöser 25 direkt an das Netz geschaltet wird. Der

Thyristor 1 kann im in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbei- spiel nicht nur mit Hilfe des PTC-Widerstandes 3 und mittels der Prüftaste 13 gezündet werden, sondern auch mit Hilfe eines Steuerstromes, der vom Summenstromwandler 5 stammt, der ei- gentlichen Aufgabe eines Fl-Schalters. Da die dem Summenstrom¬ wandler 5 zugeordnete Auswerteschaltung auf an sich bekannte Weise ausgebildet sein kann, wird sie hier nicht näher be¬ schrieben. Es wird nur vermerkt, daß die Auswerteschaltung bei Überschreiten eines bestimmten Fehlerstromes einen Steuerstrom liefert, durch den der Thyristor 1 gezündet werden kann.

Der Thyristor 1 ist über einen Brückengleichrichter 26 mit einer Versorgungsleitung 27 für den Arbeitsstromauslöser 25 verbunden und durch einen Varistor 28 gegen Überspannungen geschützt.

Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht nur auf Fehlerstromschutzschalter anwendbar ist, sondern auch ganz allgemein auf Schalter oder Schutzschalter, in denen eine thermische Überwachung des Schalters oder von Komponenten desselben wünschenswert ist.

Zusammenfassend kann die Erfindung beispielsweise wie folgt dargestellt werden:

Ein Fehlerstromschutzschalter weist einen Thyristor 1 auf, durch dessen Zünden im Summenstromwandler 5 ein Fehlerstrom simuliert wird. Parallel zum Thyristor 1 sind ein ohmscher Widerstand 2 und ein PTC-Widerstand 3 in Serie geschaltet, wobei die Steuerleitung 4 des Thyristors 1 zwischen dem ohm- sehen Widerstand 2 und dem PTC-Widerstand 3 angeschlossen ist. Der PTC-Widerstand 3 erfaßt die Temperatur im Summenstromwand¬ ler 5. Überschreitet die Temperatur im Summenstromwandler 5 einen vorgegebenen Wert, wird der PTC-Widerstand 3 hochohmig und der Thyristor 1 durch den nun durch die Steuerleitung 4 fließenden Steuerstrom gezündet, wodurch ein Fehlerstrom simu¬ liert und die Kontakte 10, 11 des Fehlerstromschutzschalters geöffnet werden.

Parallel zum ohmschen Widerstand 2, der in Serie zum PTC-Wi-

derstand 3 liegt, ist eine Serienschaltung aus einer Prüftaste 13 und einem Vorwiderstand 15 vorgesehen. Wird die Prüftaste 13 gedrückt und der Kontakt geschlossen, wird der Thyristor 1 ebenfalls gezündet und ein Fehlerstrom im Summenstromwandler 5 simuliert.