Fehlerstromschutzschalter

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es sind Fehlerstromschutzschalter zum Schutz von Menschen und Elektroinstallationsanordnungen vor gefährlichen Fehlerströmen bekannt, welche beim Auftreten gefährlicher Fehlerströme ein elektrisches Netz abschalten.

Nachteilig daran ist, dass eine derartige Abschaltung eines elektrischen Netzes durch den Nutzer meist unerwünscht ist, bzw. in vielen Fällen hohe Kosten verursacht. Etwa bei der Versorgung bzw. Steuerung von Prozessen, welche nicht unterbrochen werden dürfen, etwa bei der Durchführung komplexer technischer Prozesse, oder beispielsweise bei der Herstellung technischer Gläser, bei welcher kontrollierte Abkühlzeiten in der Größenordnung einiger Monate keine Seltenheit sind. Eine Unterbrechung der Stromversorgung während eines derartigen Prozesses verursacht hohe Kosten und eine unverantwortbare Rohstoffverschwendung. Ein weiteres Problem stellt vor allem das Unterbrechen der Stromversorgung bei EDV-Anwendungen dar, was zu einem Datenverlust bis hin zu einer Gefährdung von Menschenleben fuhren kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Fehlerstromschutzschalter der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können, und mit welchem unerwartete Abschaltungen eines zu schützenden Netzes reduziert werden können.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.

Dadurch können Todzeiten von Maschinen verringert werden, und damit anfallende Kosten reduziert werden. Dadurch wird ein Anwender über den momentan anliegenden Fehlerstrompegel informiert, und kann gegebenenfalls selbst elektrische Verbraucher deaktivieren bzw. vom Netz trennen, um einer potentiellen Stromkreisabschaltung durch den Fehlerstromschutzschalter zuvor zu kommen. Dadurch kann vor allem bei kritischen EDV- Anwendungen oftmals ein Datenverlust aufgrund einer Abschaltung des Netzes durch den Fehlerstromschutzschalter verhindert werden, da bei einem sich anbahnenden Fehlerstrom Daten gesichert werden können, bzw. potentiell Ableitströme erzeugende Geräte deaktiviert werden können.

Die Unteransprüche, welche ebenso wie der Patentanspruch 1 gleichzeitig einen Teil der Beschreibung bilden, betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossene Zeichnung, in welcher eine lediglich bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters beispielhaft als schematisches Blockschaltbild dargestellt ist, näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt einen Fehlerstromschutzschalter 1, umfassend wenigstens einen Summenstromwandler 2 durch welchen wenigstens ein erster Leiter 15 und ein zweiter Leiter 16 eines zu schützenden Netzes geführt sind, wobei auf dem Summenstromwandler 2 wenigstens eine Sekundärwicklung 17 angeordnet ist, wobei die Sekundärwicklung 17 mit wenigstens einem Energiespeicherelement 5 wenigstens mittelbar wirkverbunden ist, wobei der Fehlerstromschutzschalter 1 einen Auslöser 7 aufweist, welcher mit Trennkontakten in dem wenigstens einen ersten Leiter 15 und dem wenigstens einen zweiten Leiter 16 wirkverbunden ist, wobei wenigstens ein erstes elektrisches Signalmittel 20 wenigstens mittelbar mit dem Energiespeicherelement 5 wirkverbunden ist.

Dadurch können Todzeiten von Maschinen verringert werden, und damit anfallende Kosten reduziert werden. Dadurch wird ein Anwender über den momentan anliegenden Fehlerstrompegel wenigstens qualitativ informiert, und kann gegebenenfalls selbst elektrische Verbraucher deaktivieren bzw. vom Netz trennen, um einer potentiellen Stromkreisabschaltung durch den Fehlerstromschutzschalter 1 zuvor zu kommen. Dadurch kann vor allem bei kritischen EDV-Anwendungen oftmals ein Datenverlust aufgrund einer Abschaltung des Netzes durch den Fehlerstromschutzschalter 1 verhindert werden, da bei einem sich anbahnenden Fehlerstrom Daten gesichert werden können, bzw. potentiell Ableitströme erzeugende Geräte deaktiviert werden können.

Beim Auftreten eines Fehlerstromes, welcher für sich nicht bzw. noch nicht ausreichend groß ist, um ein Auslösen des Fehlerstromschutzschalters 1 zu verursachen, wird das Signalmittel 20 aktiviert, beispielsweise leuchtet der erste elektrische Leuchtkörper 8 auf, und signalisiert derart das Vorhandensein eines Fehlerstromes. Dadurch kann ein Benutzer bereits vor dem Auslösen des Fehlerstromschutzschalters 1 tätig werden, indem etwa Geräte vom Netz genommen werden, und/oder sensible Prozesse gesichert bzw. beendet werden können. Weiters wird durch einen erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalter 1 die Fehlersuche deutlich vereinfacht, da nach Aktivierung eines Geräts sofort erkannt werden kann, ob ein Fehlerstrom auftritt.

Die einzige Figur zeigt eine lediglich besonders bevorzugte Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters 1 zur, vorzugsweise netzspannungsunabhängigen, Fehlerstromauslösung als schematische Darstellung der funktionellen Baugruppen und deren schaltungstechnische Verbindungen. Ein derartiger Fehlerstromschutzschalter 1 ist zum Schutz von Anlagen und Menschen vorgesehen, wobei im Falle eines auftretenden gefährlichen Fehlerstromes die an den Fehlerstromschutzschalter 1 angeschlossenen Verbraucher von einem Versorgungsnetz, umfassend den ersten Leiter 15 und den zweiten Leiter 16, getrennt werden. Der Fehlerstromschutzschalter 1 weist Anschlussklemmen, insbesondere Schraubanschlussklemmen, zum Anschluss wenigstens eines ersten und eines zweiten Leiters 15, 16 eines elektrischen Versorgungsnetzes auf. Der dargestellte schematische Stromlaufplan zeigt eine Ausfuhrungsform mit lediglich einem ersten und einem zweiten Leiter 15, 16. Es können jedoch Ausführungsformen mit jeder vorgebbaren Anzahl an Leitungen bzw. Leitern eines elektrischen Energieversorgungsnetzes vorgesehen sein, insbesondere Ausführungsformen mit drei oder vier Leitern, etwa zum Schutz eines an einem Drehstromnetz angeschlossenen Drehstromverbrauchers. Die weitere Beschreibung bezieht sich auf die dargestellte Ausfuhrungsform mit einem ersten und einem zweiten Leiter 15, 16, wobei dies Ausführungsformen mit mehreren Leitern entsprechend äquivalent mit einschließt, m dem ersten und dem zweiten Leiter 15, 16 sind - nicht dargestellt - sog. Trennkontakte, daher Schaltkontakte, welche zum Auftrennen bzw. Unterbrechen des ersten bzw. zweiten Leiters 15, 16, sowie zum anschließenden Schließen, vorgesehen bzw. ausgebildet sind, angeordnet. Die beschriebenen und/oder in der Figur dargestellten Bauelemente bzw. Baugruppen sind zusammen in einem Isolierstoffgehäuse angeordnet, welches Durchbrechungen wenigstens für die Anschlussklemmen und einen manuell betätigbaren Handschalthebel zum manuellen öffnen bzw. Schließen der Trennkontakte aufweist. Weiters kann vorgesehen sein, dass ein erfindungsgemäßer Fehlerstromschutzschalter 1 weitere - nicht dargestellte bzw. beschriebene - Baugruppen bzw. Bauteile umfasst, etwa eine Schaltstellungsanzeige, eine Auslöseanzeige und dergleichen.

Wie bereits angedacht ist ein erfindungsgemäßer Fehlerstromschutzschalter 1 vorzugsweise als netzspannungsunabhängiger Fehlerstromschutzschalter 1 ausgebildet. Die in einem derartigen netzspannungsunabhängigen Fehlerstromschutzschalter 1 zur Detektion eines Fehlerstromes und Auslösung des Fehlerstromschutzschalters 1, daher Trennen der Trennkontakte angeordneten Baugruppen beziehen deren zum Auslösen notwendige Energie

vollständig aus dem Fehlerstrom bzw. dem zu diesem proportionalen Fehlerstromsignal in der Sekundärwicklung 17, und weisen daher kein Netzteil zur Versorgung aktiver Bauelemente auf.

Ein erfmdungsgemäßer Fehlerstromschutzschalter 1 weist - in an sich bekannter Weise - wenigstens einen Summenstromwandler 2 mit einem Wandlerkern, umfassend einen Magnetwerkstoff, auf, durch welchen der erste und zweite Leiter 15, 16 als Primärwicklung geführt sind. Es kann vorgesehen sein, den ersten und den zweiten Leiter 15, 16 lediglich durch eine im Wesentlichen zentrale öffnung des Summenstromwandlers 2 zu führen, oder diese um den Wandlerkern herumzuwickeln. Auf dem Summenstromwandler 2 ist weiters eine Sekundärwicklung 17 zur Detektion eines Fehlerstromsignals angeordnet, wobei die Sekundärwicklung 17 schaltungstechnisch mit wenigstens einem Energiespeicherelement 5 wenigstens mittelbar verbunden ist, und das Energiespeicherelement 5 mit einem Auslöser 7 wenigstens mittelbar verbunden ist bzw. mit einem solchen zusammenwirkt, welcher bevorzugt als permanentmagnetisches Auslöserelais ausgebildet ist, wodurch eine besonders sichere und schnelle Ansprache des Fehlerstromschutzschalters 1 erreicht werden kann. Der Auslöser 7 wirkt mechanisch, vorzugsweise über ein nicht dargestelltes Schaltschloss, auf die Trennkontakte. Beim Auftreten eines gefährlichen Fehlerstromes, wird ein entsprechendes Fehlerstromsignal in der Sekundärwicklung 17 erzeugt, und der Auslöser 7 wirkt auf die Trennkontakte, welche geöffnet werden, und den ersten und zweiten Leiter 15, 16 durchtrennen.

Gemäß der besonders bevorzugten und in der einzelnen Figur dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters 1 ist vorgesehen, dass an die Sekundärwicklung 17 eine Gleichrichterschaltung 3 angeschlossen ist, welche vorzugsweise als Vollwellengleichrichter, insbesondere als Brückengleichrichter, ausgebildet ist, und dass die Gleichrichterschaltung 3 schaltungstechnisch mit dem Energiespeicherelement 5 verbunden ist, welches gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungsform als Kondensator 19 ausgebildet ist, wodurch ein einfacher Aufbau und ein schnelles Ansprechen des Energiespeicherelements 5 erreicht werden kann. Gemäß der dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform ist weiters vorgesehen, dass parallel zu dem Energiespeicherelement 5 ein Entladewiderstand 4 geschaltet ist, um ein Entladen des Energiespeicherelements 5 nach einem Auftreten eines Fehlerstromes zu gewährleisten. Wie bereits dargelegt, wirkt das Energiespeicherelement 5 auf den Auslöser 7. Hiebei ist bevorzugt vorgesehen, dass das Energiespeicherelement 5 über eine zweite

Schwellenwertschaltung 6 mit dem Auslöser 7 wirkverbunden ist, wobei der zweite Schwellenwertschalter 6 die Spannungsschwelle für das Auslösen des Auslösers 7 vorgibt. Ein Schwellenwertschalter kann etwa umfassend einer Zenerdiode realisiert werden. Bevorzugt ist weiters vorgesehen, dass erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter 1 weiters einen Prüfstromkreis zur überprüfung der Funktionsfähigkeit und Betriebssicherheit des Fehlerstromschutzschalters 1 aufweisen. Der Prüfstromkreis weist dabei wenigstens einen Prüftaster und einen Prüfwiderstand auf, wobei durch Drücken des Prüftasters über den Prüfwiderstand, ein Fehlerstrom simuliert wird, welcher den Fehlerstromschutzschalter 1 dazu veranlassen soll auszulösen.

Erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter 1 weisen wenigstens ein erstes elektrisches Signalmittel 20 auf, welches wenigstens mittelbar mit dem Energiespeicherelement 5 wirkverbunden ist. Bevorzugt ist hiebei bei einer besonders einfachen Ausführungsform der gegenständlichen Erfindung vorgesehen, dass das erste elektrische Signalmittel 20 schaltungstechnisch zu dem als Kondensator ausgebildeten Energiespeicherelement 5 parallel geschaltet ist, und daher der am Energiespeicherelement 5 anliegenden Spannungspegel durch das elektrische Signalmittel 20 wenigstens qualitativ ausgegeben bzw. dargestellt wird. Bei einem elektrischen Signalmittel 20 kann es sich um jedes Mittel zur Erzeugung und Absetzung eines Signals nach Eingang eines vorgebbaren elektrischen Strom- und/oder Spannungssignals handeln, etwa um einen Lautsprecher, einen Summer, einen mechanischen Signalgeber, wie etwa ein Fähnchen, um ein extern angeordnetes Relais, eine Funkschnittstelle oder ähnliches, wobei bevorzugt die Ausbildung des ersten elektrischen Signalmittels 20 als optisches elektrisches Signalmittel, vorzugsweise als erster elektrischer Leuchtkörper 8, vorgesehen ist.

Als erster elektrischer Leuchtkörper 8 kann jede Art eines Leuchtkörpers 8 vorgesehen sein, etwa Glühbirnen, Gasentladungslampen, Leuchtdioden 18 und/oder LCD-Displays, wobei gemäß der dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform die Ausbildung des ersten elektrischen Leuchtkörpers 8 als wenigstens eine Leuchtdiode 18 vorgesehen ist, wodurch sowohl eine hohe Leuchtkraft und somit ein starker Signalisierungseffekt, als auch ein geringer Stromverbrauch erreicht werden kann. Es kann gemäß einer besonders einfachen Ausgestaltung der gegenständlichen Erfindung vorgesehen sein, dass lediglich ein einziges Leuchtmittel 8 vorgesehen ist, und lediglich die Helligkeit, die Leuchtkraft bzw. die Größe des abgestrahlten Lichtstromes ein Maß für die Größe der an dem Energiespeicherelement 5 anliegenden Spannung, und somit ein Maß für die Größe des Fehlerstromes ist. Es kann auch

vorgesehen sein eine vorgebbare Anzahl elektrischer Leuchtmittel 8 anzuordnen, wobei vorgesehen sein kann, diese vorgebbare Anzahl elektrischer Leuchtmittel 8 derart anzusteuern, dass die Anzahl der aufleuchtenden Leuchtmittel 8 ein Maß für die Größe des Fehlerstromes ist. Hiebei kann eine lineare Skalierung vorgesehen sein, oder aber die Wiedergabe eines Bitmusters, wodurch einfach eine sehr feine Wiedergabe unterschiedlicher Werte möglich ist. Es kann auch vorgesehen sein, eine vorgebbare Anzahl elektrischer Leuchtmittel 8 in Form eines alphanumerischen Displays anzuordnen, wobei einsprechende Mittel zur Ansteuerung eines derartigen Displays vorgesehen sind. Bei sämtlichen beschriebenen Ausbildungen der Anordnung erster elektrischer Leuchtmittel 8 kann jede der vorstehend beschriebenen Ausbildung des elektrischen Leuchtmittels 8 vorgesehen sein. Je nach der verfugbaren Ausgangsleistung des vorgesehenen Summenstromwandlers 2 kann eine Verstärkung der Spannung des Energiespeicherelements 5 vorteilhaft sein. So ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Verstärkerschaltung 9 zum Verstärken der Spannung des Energiespeicherelements 5 vorgesehen. Durch die Verstärkerschaltung 9 kann die für die Ansteuerung des Leuchtkörpers 8 zur Verfügung stehende Leistung erhöht werden. Die Verstärkerschaltung 9 weist hiezu aktive verstärkende Bauelemente, wie etwa Transistoren, FET und/oder Bipolar, und/oder Operationsverstärker auf.

Zur Bereitstellung der Versorgungsspannung für die aktiven Bauelemente ist gemäß einer ersten bevorzugten Ausbildung der Verstärkerschaltung 9 ein Netzteil vorgesehen, welches vorzugsweise in die Baugruppe der Verstärkerschaltung 9 integriert ist, und welches schaltungstechnisch mit dem ersten und zweiten Leiter 15, 16 des zu schützenden Netzes verbunden ist, und derart die Energie zum Betrieb der Verstärkerschaltung 9 direkt aus dem zu schützenden Netz bezieht. In der einzigen Figur ist die Verstärkerschaltung 9 strichliert dargestellt, ebenso die schaltungstechnischen leitenden Verbindungen zu dem ersten und zweiten Leiter 15, 16. Gemäß einer zweiten besonders bevorzugten Ausbildung der Verstärkerschaltung 9 ist vorgesehen, dass die Verstärkerschaltung 9 mit einer netzunabhängigen Energieversorgungseinheit, vorzugsweise einer Batterie, schaltungstechnisch verbunden ist, wodurch die Verstärkerschaltung 9 ohne Abhängigkeit von der Netzspannung betrieben werden kann, und derart ein vollständig netzspannungsunabhängiger Fehlerstromschutzschalter 1 gebildet werden kann. Die - in der einzigen Figur nicht dargestellte - netzunabhängige Energieversorgungseinheit versorgt die Verstärkerschaltung 9 mit elektrischer Energie. Bei einer Batterie kann es sich um jede Art

eines galvanischen Elements zur Erzeugung elektrischer Spannung auf elektrochemischem Weg handeln, etwa um ein Akkumulator oder ein Leclanche-Element. Besonders bevorzugt ist die Ausbildung der Batterie als Akkumulator vorgesehen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der gegenständlichen Erfindung ist weiters vorgesehen, dass sowohl ein Netzteil als auch eine netzunabhängigen Energieversorgungseinheit, vorzugsweise in Form eines Akkumulators, vorgesehen ist, wobei bis zu einem vorgebbaren Spannungspegel im Netz die Verstärkerschaltung 9 aus dem Netz mit elektrischer Energie versorgt wird, und gleichzeitig der Akkumulator geladen wird, und beim Unterschreiten des vorgebbaren Spannungspegels im Netz die Verstärkerschaltung 9 über den Akkumulator mit elektrischer Energie versorgt wird. Zur vorbeschriebenen Steuerung der unterschiedlichen Arten der Energieversorgung der Verstärkerschaltung 9 kann weiters eine Spannungsüberwachungseinheit vorgesehen sein.

Sofern eine Verstärkerschaltung vorgesehen ist, ist wenigstens ein Verstärkereingang 11 einer Verstärkerschaltung 9 an das Energiespeicherelement 5 angeschlossen, und wenigstens ein Verstärkerausgang 12 der Verstärkerschaltung 9 wenigstens mittelbar mit dem ersten elektrischen Leuchtkörper 8 wirkverbunden, daher der Verstärkerausgang 12 ist entweder direkt mit dem Leuchtkörper 8 schaltungstechnisch verbunden, oder über eine weitere zwischengeschaltete Baugruppe. Die Bezeichnung Verstärkereingang 11 bzw. Verstärkerausgang 12 bezeichnet dabei vorzugsweise jeweils sämtliche für einen funktionsfähigen Verstärkereingang 11 bzw. Verstärkerausgang 12 notwendigen Kontakte bzw. Pole. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform weist der Verstärkereingang 11 bzw. Verstärkerausgang 12 jeweils zwei Kontakte bzw. Pole auf. Hiebei kann bei der Verarbeitung komplexerer Signale auch eine größere vorgebbare Anzahl an Kontakten bzw. Polen vorgesehen sein.

Um eine vorgebbare Regelung des Ansprechens des Leuchtkörpers 8 zu ermöglichen, ist gemäß der dargestellten bevorzugten Ausfuhrungsform vorzugsweise vorgesehen, dass der wenigstens eine Verstärkerausgang 12 mit wenigstens einem

Schwellenwertschaltungseingang 13 einer ersten Schwellenwertschaltung 10 schaltungstechnisch verbunden ist, und dass wenigstens ein Schwellenwertschaltungsausgang 14 der ersten Schwellenwertschaltung 10 mit dem ersten elektrischen Leuchtkörper 8 schaltungstechnisch verbunden ist. Die erste Schwellenwertschaltung 10 kann dabei derart ausgestaltet sein, dass eine Verstellbarkeit des Schwellwertes durch einen Benutzer möglich

ist. Dadurch kann ein Grenzwert für die Aktivierung des Signalmittels 20 durch einen Benutzer vorgegeben werden.

Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen weisen lediglich einen Teil der beschriebenen Merkmale auf, wobei jede Merkmalskombination, insbesondere auch von verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen, vorgesehen sein kann.