DE3201569A1 - Differential-transformator-kern fuer pulsierende stroeme - Google Patents

Description

Different!al-Transforroator-Kern für pulsierende Ströme.

Die Erfindung betrifft einen Differentialtransforroator Kern für pulsierende Ströme, insbesondere einen Transformatorenkern für Fehlerstromschutzschalter.

Stand der Technik

Der Einsatz von hochpermeablen Kernen für Differential Transformatoren in Fehlerstrom-Schutzschaltern ist seit langem bekannt, beispielsweise aus der Veröffentlichung von Dr. Günter B. Finke, einem der Erfinder der vorliegenden Erfindung, betitelt "Differential-Transformatoren-Kerne. für Fehlerstromschutzschalter", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Band MAG-10, No. 2, Juni 1974, Seite 13. -

Vie in dem Artikel erwähnt, sind Fehlerstromschutzschalter Anlagen, welche einen elektrischen Versorgungsstrom unterbrechen, wenn ein Fehlerstrom einer vorbestimmten Größe von diesem Stromkreis gegen Erde fließt. Dieser Strom kann sinusförmig oder ein gleichgerichteter pulsierender Strom sein, wie es häufig in Stromkreisen der Fall ist, die mit Siliziumgleichrichtern gesteuert werden, wie z.B. in Lampen-Dimmer-Schaltungen. Durch Verwendung eines solchen Schalters und der daraus folgenden Unterbrechung des Stromkreises nach wenigen Halbwellen, ist es möglich, Menschen und Tiere vor der Gefahr eines elektrischen Schlages zu schützen.

Der Fehlerstrom-Schutzschalter arbeitet wie folgt: Bei einem Verbraucherstrom I bis zu 50 A fließt zur Erde ein Fehlerstrom 1™, der für den Schutz von Personen und Tieren nur etwa 5 mA - 30 mA beträgt (und etwa 300 mA für Feuerschutz); er erzeugt eine meßbare Änderung in der Magnetisierung des Differentialstromtransformators. Ohne Fehlerstrom ist der Strom in der Primärwicklung genau gleich und entgegengerichtet, so daß keine Kernmagnetisierung entsteht. Die kleinste Ungleichheit der Primärströme, die durch Fließen eines Fehlerstromes gegen Erde hervorgerufen wird, erzeugt jedoch eine Magnetisierung, auf die der Fehlerstrom-Schutzschalter anzusprechen hat.

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In den USA besteht die Vorschrift, daß der Schalter den Stromkreis bei einem maximalen Fehlerstrom von nur 5 mA öffnen muß. Um dies zu erreichen, muß ein elektronischer Verstärker mit dem magnetischen Kern in Verbindung gebracht werden. In den meisten europäischen Ländern bestehen Normen, die fordern, daß ein Relais des Schutzschalters den Stromkreis bei einem Fehlerstrom von 30 mA unterbricht. Ein solch relativ großer Fehlerstrom ist ausreichend, ein Relais ohne einen Verstärker direkt zu schalten. Andererseits erfordert dies eine sehr genaue Funktion des Kernes in dem Differentialtransformator.

Differentialtransformatoren für den Einsatz in direktschaltenden 30 mA Fehlerstrom-Schutzschaltern, bestehen normalerweise aus einem 0,1 mm dicken Supermalloy-Band.

In typischen Anwendungen haben die Kerne etwa 20 mm

Außendurchmesser und einen Querschnitt von etwa 1 cm Das Kernmaterial ist wärmebehandelt, um eine hohe Maximalpermeabilität zu erzeugen^ /U = 200.000), so daß ein Fehlerstrom von 30 mA in einer oder mehreren Windungen, den Kern auf eine Induktion von 2.000 bis 5.000 Gauss magnetisiert und damit ausreichend Energie überträgt, um ein Relais direkt zu schalten. Fehlerstrom -Schutzschalter können auch in Räumen außerhalb des beheizten Wohnraumes installiert sein, so daß es erforderlich ist, die Maximalpermeabilität im Temperaturbereich von - 15° C bis + 45° C zu stabilisieren.

Frühere Veröffentlichungen haben bereits beschrieben, daß in hochpermeablen Nickeleisenlegierungen wie
Supermalloy (80,25 Ni, 4,25 Mo, Re-Fe) die Permeabilität stabilisiert werden kann, indem man die Legierung unterhalb der normalen Temperaturen anläßt, so daß eine
verstärkte Ordnung von Ni^Fe stattfindet. Eine solche Anlaßbehandlung verschiebt den Punkt, in dem die magnetokristalline Anisotropie zu Null wird (K₁ = 0), zu niedrigeren Temperaturen, so daß das Maximum der
Permeabilität/u (T) bei niedrigeren Temperaturen eintritt, normalerweise gerade unterhalb der Raumtemperatur.

Diese Wärmebehandlung erzeugt jedoch auch eine Änderung der Hystereseschleife. Bei höheren Temperaturen oberhalb des,u (T) Maximums im Bereich in dem K₁=O ist, hat das Material dann eine rechteckige Hystereseschleife, so daß die Brauchbarkeit des Materials in Differentialtransformatoren für gleichgerichtete Pulsströme eingeschränkt ist. Die vorstehend beschriebenen Fehlerstromschutzschalter arbeiten daher nicht mit gleichgerichteten Pulsströmen.

Die beispielsweise'zum Stande der Technik zu nennende DE-OS 2036497 vom 28. April 1977 hat dies erkannt und beschreibt daher, daß man durch Einsatz eines Kondensators in Reihe mit der sekundären Wicklung des
Different.! al transformator durch einen Resonanzeffekt

die gleichgerichtete Magnetisierung in eine wechselseitige Magnetisierung von äußreichender Amplitude umwandeln kann, so daß genügend Energie im Sekundärkreis vorhanden ist, um das Relais zu schalten. Um jedoch diesen Resonanzeffekt bei gleichgerichteten Strömen im Primärkreis zu erreichen, muß die Hystereseschleife des Kernes relativ rund und nicht rechteckig sein.

Zwei bisher bekannte Methoden versuchten diese runde Schirifc zu erzeugen. Die erste Methode bestand darin, durch eine geeignete Wärmebehandlung in axialen Feldern im Temperaturbereich von 250° C - 350° C in dem Kern eine einachsige Vorzugsrichtung senkrecht zum Fehlerstromfeld zu erzeugen. Dieses Wärmebehandlungsverfahren ist jedoch sehr arbeitsintensiv und schwierig durchzuführen, so daß die Ausbeute an guten Kernen nicht zufriedenstellend ist.

Eine zweite Methode eine runde Schleife zu erzeugen, besteht darin, die Kerne schnell abzukühlen oder von Temperaturen oberhalb 500° C abzuschrecken, um den Punkt, in dem die magnetokristalline Anisotropie Null ist (K₁ = 0),auf höhere Temperaturen zu verschieben. Dieses Verfahren erzeugt eine runde Schleife bei und unterhalb von Raumtemperaturen. Es verursacht jedoch einen starken Abfall der Permeabilität bei niedrigen

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Temperaturen, so daß der Resonanzeffekt des Sekundärkreises stark geändert wird und der Schaltstrom des Fehlerstrom-Schutzschalters über die 30 mA-Grenzen stark ansteigt.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Die Erfindung befaßt sich mit Kernstrukturen für Differentialtransformatoren, die eine runde Hystereseschleife erzeugen und für das Entstehen einer Stromresonanz im Sekundärkreis brauchbar sind. Es wurde gefunden, daß eine abgerundete Hystereseschleife entsteht, wenn zwei oder mehrere Bänder von relativ hoher Permeabilität im geschlossenen Kreis gewickelt werden. Obgleich das verwendete Material an sich die Eigenschaft hat, bei einlagiger Kernwicklung eine nicht wünschenswerte rechteckige Hystereseschleife zu erzeugen, wurde unerwartet gefunden, daß bei gleichzeitigem Wickeln von zwei oder mehr solcher Bänder die Hystereseschleife beträchtlich abgerundet wird. Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bisher angewendeten Herstellungsverfahren. Die nachfolgend beschriebenen Kernstrukturen, die durch die Erzeugung einer runden Hystereseschleife gekennzeichnet sind, können mit großer Gleichmäßigkeit hergestellt werden und arbeiten in Resonanzkreisen über einen weiten Temperaturbereich. Außerdem kann die Wärmebehandlung dieser Kerne so vorgenommen werden, daß die kleinste Koerzitivfeldstärke und die höchste Mate'rialpermeabilität im Kern erzeugt wird.

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Damit ergibt sich eine hohe magnetische Induktion und somit ein kleines Kernvolumen. In der Praxis ergeben sich somit die Vorteile von reduzierten Material- und Fertigungskosten und einer Verkleinerung des Raumbedarfes für Kerne in Fehlerstrom-Schutzschaltern.

Weitere Einzelheiten der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Differentialtransformators im Stromkreis eines Fehlerstromschutzschalters,

Fig. 2A eine graphische Darstellung eines gleichgerichteten pulsartigen Fehlerstromes und des Resonanzstromes als Funktion der Zeit,

Fig. 2B Hysteresenschleifen für die Ströme in der Darstellung gemäß Fig.· 1A,

Fig. 3A - 3D

B-H-Kurven und Hystereseschleifen für einlagig und mehrlagig gewickelte Kerne, die erfindungsgemäß hergestellt wurden,

Fig. 4 eine Vergleichsdarstellung von Hystereseschleifen, welche illustriert, wie sich die Hystereseschleife als Funktion zunehmender Lagenzahl abrundet, und

Fig. 5 eine Perspektive Darstellung einer erfindungsgemäßen zweilagigen Kernstruktur..

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Fig. 1 zeigt einen vorbekannten Fehlerstrom-Schutzschalterkreis gemäß der zuvor erwähnten DE-OS 2 036 497. Die mit einer sinusförmigen Spannungsquelle verbundenen Leitungen 10 und 12 zum Verbraucher 16 sind mit einigen Windungen durch den Kern 14 geführt und bilden dort eine Primärwicklung. Bei Normalbetrieb sind die Stromamplituden in den Leitungen 10 und 12 entgegengesetzt gleich. Wenn auf der Verbraucherseite des Kernes 14 die Leitung 10, z.B. von Mensch oder Tier berührt wird, fließt durch den den Körperwiderstand symbolisierenden Widerstand 18 ein Fehlerstrom gegen Erde. Hierdurch werden die Ströme in Leitung 10 und 12 ungleich, so daß ein Magnetisierungsstrom und damit in dem Kern 14 ein entsprechendes magnetisches Feld hervorgerufen wird. Eine Sekundärwicklung 20 auf dem Kern 14 ist in Paralleloder Reihenschaltung mit einem Kondensator 26 über Leitungen 22 und 24 verbunden, um einen Resonanzkreis zu bilden.

Der Kern 14 soll eine möglichst runde Hystereseschleife, allerdings mit hoher magnetischer Permeabilität erhalten, so daß nach nur wenigen Fehlerstromimpulsen ein ausreichender Resonanzstrom entsteht, um den Schutzschalter S zu schalten und den Stromfluß zum Verbraucher 18 in der Leitung 10 zu unterbrechen.

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Wie bereits erwähnt, hat der erfindungcgemüße Kern, gemäß Fig. 5, über einen weiten Temperaturbereich die notwendige abgerundete Hystereseschleife. Eine solche Hystereseschleife eines Kernes ermöglicht den Bau eines Stromkreises gemäß Fig. 1, der sowohl mit unipolarem Pulsstrom als auch mit Sinusstrom arbeitet.

Zum besseren Verständnis der Bedeutung einer richtig abgerundeten Hystereseschleife sollen anhand von Fig. 2A und 2B der Magnetisierungszyklus eines Kernes durch einen unipolaren Pulsstrom und der Beginn des Resonanzeffektes genauer erläutert werden.

Bei Beginn des ersten gleichgerichteten Stromimpulses, bei 34, liegt die Magnetisierung des Kernes 14a im remanenten Zustand bei 34a. Während der ersten Halbwelle wird der Kern bis zum Punkt 62 magnetisiert und damit eine Flußänderung Λ B₁ erzeugt. Zum Ende der ersten Strompulswelle liegt die Magnetisierung des Kernes b^i 38a.

Während der ersten Halbwelle hat die Flußänderung ^B₁ eine Spannung im Sekundärstromkreis induziert, die einen Strom hervorruft, welcher den Kondensator 26 auflad Am Ende der ersten Pulsstrotnhalbwelle beginnt der Kondensator 26 sich zu entladen und entmagnetisiert damit den

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Kern zum Punkt 40a. In. der Zeit, in der der Fehlerstrom gleich Null ist, fällt zwischen Punkt 42 und 44 die Magnetisierung vom Punkt 40a auf der Wechselstromhystereseschleife zum Punkt 42a auf der Gleichstromhystereseschleife ab.

Die nächste am Punkt 44 beginnende Halbwelle, die am Punkt 46 das Maximum erreicht, magnetisiert·den Kern von 44a bis 62 und ruft nun eine größere Flußänderung ^Bp hervor, welche den Kondensator 26 stärker auflädt. Der Entladestrom 48-52 des Kondensators 26 entmagnetisiert den Kern von 38a bis 52a.

Die nächste Pulsstromwelle von 52 bis 56 magnetisiert den Kern von 52a bis 62 und erzeugt damit eine noch größere Änderung der Magnetisierung £\ B^. Der Entladestrom von 56 bis 60 des Kondensators entmagnetisiert den Kern von 38a bis 58a. Anschließend ist der Kern in Resonanz und wird kontinuierlich zwischen den Punkten 58a und 62 magnetisiert. Damit wird dann eine ausreichend hohe Ausgangsspannung induziert, um den Schutzschalter S _Zu schalten.

Um den vorstehend anhand der Fig. 2A und 2B geschilderten Resonanzeffekt zu bewirken, muß die Hystereseschleife des Kernes so geformt sein, daß schön einige wenige Fehlerstromhalbwellen eine ausreichende Flußdichtenänderung der Magnetisierung hervorrufen.

Der Fachmann weiß, daß konventionelle Kerne mit relativ rechteckiger Schleife, unter den gegebenen Umständen, nur ein kleines^B erzeugen, sodaß keine Resonanz eingeleitet wird.

Fig. 5 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen Differentialtransformator-Kernes, der durch gleichzeitiges Wickeln von zwei oder mehreren Bändern entsteht. Das Außenende des Kernes kann spitz zugeschnitten und bei 64 punktgeschweißt sein, um das Abwickeln des Kernes zu verhindern. Andere konventionelle Wickel- und Befestigungsniethoden sind ebenfalls brauchbar.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird für die Wickelbänder hochpermeables Supermalloy benutzt, obwohl auch andere weichmagnetische Werkstoffe zum Erzeugen einer runden Schleife eingesetzt werden können. Supermalloy besteht aus 80% Nickel, 5% Molybdän und dem Rost Eisen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines solchen Materials beschränkt, da andere weichmagnetische Legierungen (vor allem Nickeleisen-und Siliziumeisenlegierungen) brauchbar sind. Die Erfindung ist auch unter Benutzung von sog. magnetischen Gläsern (Fe-B-Gläsem) _un(i dergl. anwendbar. Zu Beginn werden die Bänder mit einer inerten Beschichtung aus Magnesiumoder Aluminiumoxid versehen, die entweder vor dem Wickeln des Kernes aufgebracht wird oder es wird das mit einem Ölfilm versehene Band durch Aluminium- odor Magnesiumoxidpulver hindurchgezogen.

Die Schichtdicke einer solchen inerten Isolation ist vorzugsweise 1/10 bis 1/5 der Banddicke. Dann werden zwei oder mehrere Lagen oder Bänder zur Kernform gewickelt und riss Fr.'de 'bei 64 verschweißt, um die Gestalt des Kernes zu erhalten. Der Kern kann verschiedene geschlossene Formen haben, ringförmig, rechteckig usw. Die Form des Kerubs Η·υβ jedoch eine magnetisch geschlossene Struktur sein.

Als nächstes wird der Kern wärrr,ebeharjdelt. Die Wärac-behandlung kann die gleiche sein, wie sie normalerweise für die Herstellung von Bandringkernen benutzt wird. Sie umfaßt eine Wärmebehandlung in wasserstoffhaltiger Atmosphäre bei hohen Temperaturen nahe 1180 C für eine Dauer von etwa 1-4 Stunden und nachfolgende Ofenabkühlung. Eine sekundäre Anlaßbehandlung bei etwa 485° C für eine Stunde mit anschließend Schnellabkühlung kann folgen, um das Ordnungs-VUnordnungsverhältnis im Kristallgitter einzufrieren und den Punkt der Kristallanisotropie K₁.= 0 auf ungefähr + 10° C zu legen. Eine solche Wärmebehandlung erzeugt in Supermalloy Maximalpermeabilitäten von über 200.000, häufig-sogar Permeabilitäten von 350.000 - 400.Ό00 bei minimaler Permeabilitätsänderung im Temperaturbereich von -25° C bis zu +45° C. In einlagig gewickelten Kernen führt eine solche Wärmebehandlung zu einer rechteckigen Hystereseschleife, die verhindert, daß der Schaltkreis gemäß Fig. 1 in Resonanz geht. Durch gleichzeitiges Wickeln von zwei oder mehreren Lagen,

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wird die Hystereseschleife abgerundet, so daß ein Resonanzkreis gebildet werden kann, der sicher in Resonanz geht. Die Banddicke für diese Kerne ist normalerweise 0,1 mm, sie kann aber auch zwischen 0,025 und 0,15 mm oder mehr liegen. Die Banddicken werden so gewählt, daß die Wirbelstromverluste im Kern minimal sind.

Vorstehende Beispiele beziehen sich auf Kerne, in denen hochpermeables Material gleicher Dicke und eines Materials in zwei oder mehreren Lagen gleichzeitig gewickelt wurden. Die oben genannten gewünschten Wirkungen ergeben sich aber auch, wenn Werkstoffe etwas unterschiedlicher Dicke und Zusammensetzung gleichzeitig gewickelt werden. Alle Werkstoffe sollten jedoch eine niedrige Koerzitivkraft haben, die von Band zu Band nicht zu unterschiedlich ist. Fig. 3A zeigt, daß ein einlagiger Kern eine relativ rechteckige Hystereseschleife hat und daher bei Temperaturen oberhalb 25° C nicht in Resonanz geht. Die Fig. 3A bis 3D zeigen auch B-H Kurven für unipolare Pulswellen und sinusförmige Erregung.

Der einlagige Kern gemäß Fig. 3A hat eine relativ hohe Permeabilität bei sinusförmiger Erregung. Die B-H Kurve für den einlagigen Kern mit Sinusstrom zeigt bei 10 mA/cm , was ungefähr dem Arbeitspunkt des Differentialtransformators in einem 30 mA-Schutzschlater entspricht, eine hohe Induktion von 0,54 Tesla während die Halbwellenpulsstrommagnetisierung relativ niedrig ist mit 0,19 Tesla.

Das gleiche Material als zweilagig gewickelter Kern hat mit Sinusstrom bei 10 mA/cm eine Magnetisierung von 0,42 Tesla und bei Halbwellenmagnetisierung 0,23 Tesla (siehe Fig. 3B). In anderen Worten: Wenn der Kern zweilagig gewickelt ist, ist die Halbwellenmagnetisierung größer, die Wechselstrommagnetisierung kleiner, ihre Differenz geringer. Dies ist wünschenswert, denn der Fehlerstromschutzschalter soll bei gleichem Fehlerstrom schalten ganz gleich, ob Wechselstrom oder unipolarer Pulsstrom fließt. Eine weitere Verbesserung, d.h. ein Anstieg in der Pulsmagnetisierung und ein Abfall in der Wechselstrommagnet! sierung ergibt sich, wenn 3 oder 4 Lagen gleichzeitig gewickelt werden, wie Fig. 3C und 3D zeigen. Die ebenfalls in Fig. 3A bis 3D gezeigten Hystereseschleifen zeigen die zunehmende Abrundung der Hystereseschleife von 2, 3 und 4-lagig gewickelten Kernen. Sie zeigen auch, daß die Hystereseschleifen und damit die Magnetisierung bei einer gegebenen Feldstärke sich nicht sehr verändern, wenn die Temperatur sich ändert. Das bedeutet, daß der Schaltstrom des Fehlerstromschutzschalters über den gewünschten Temperaturbereich von -25° C bis +65° C ziemlich konstant bleibt.

Fig. 4 zeigt nochmals die. Abrundung der Hystereseschleife bei 25° C für den 2, 3 und 4-lagig gewickelten Kern gegenüber einlagig gewickelten Kernen.

Die vorliegenden Erfindung offenbart somit einen Kern, der aufgrund seiner Struktur eine abgerundete Hystereseschleife hat, so wie sie für Fehlerstromschutzschalter benötigt wird. Durch das Wickeln mehrerer geschichteter Bandlagen zu einem geschlosssenen Vielschichtkern kann der Gegenstand der Erfindung erfolgreich mit Wechselstrom als auch mit unipolarem Pulsstrom über einen weiten Temperaturbereich benutzt werden. Der erfindungsgemäße Kern kann, wie Fig. 5 zeigt, schnell und mit hoher gleichmäßiger Qualität in großen Stückzahlen gefertigt werden.

Die vorstehend beschriebene Erfindung ist nicht auf die genau beschriebenen Einzelheiten der Konstruktion begrenzt, denn einfache Abwandlungen liegen für Fachleute, die mit der Materie vertraut sind, auf der Hand.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit der Anwendung derartiger Kerne in Fehlerstromschutzschaltern beschrieben. Ihre Nutzbarkeit ist Jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, denn die Erfindung ist in allen Fällen nutzbar, in denen eine abgerundete Hystereseschleife in einem geschlossenen magnetischen Kreis erwünscht und besonders,wenn es notwendig ist, solche Kerne mit großer Gleichmäßigkeit ihrer magnetischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich herzustellen.

Claims (8)

1. Patentansprüche

   Differerential-Transformator-Kern für pulsierende Ströme gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von aufeinandergeschichteten und parallel liegend auf einem geschlossenen Pfad gewickelten Schichten aus magnetisch permeablem Material mit relativ niedriger Koerzitivkraft.
2. 2. Differential-Transformator-Kern nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß er zwei bis vier Materialschichten enthält.
3. 3. Differential-Transformator-Kern nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschichten mit geringem radialen Abstand gewickelt sind.
4. 4. Differential-Transformator-Kern nach Anspruch 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisch permeable Material eine Nickel-Eisen-Legierung, vorzugsweise Supermalloy (80% Ni, 5% Mo, Rest Fe) ist.
5. 5. Differential-Transformator-Kern nach Anspruch 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisch permeable Material ein Bandstreifen mit einer Dicke von etwa 0,1 mm ist.
6. 6. Differerential-Transformator-Kern nach Anspruch 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisch permeable

   Material eine inerte Isolation trägt, deren Dicke etwa 1/10 bis 1/5 der Materialdicke ist.
7. 7. Fehlerstrom-Schutzschalter mit einem Differentialtransformatorkern nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der von einer Spannungsquelle gespeiste und zum Verbraucher führende Primärkreis mit mindestens zwei Leitungen (10,12) durch den Kern (14) hindurch geführt ist und daß die auf den Kern (14) aufgewickelte Sekundärwicklung (20) mit der Schaltwicklung eines in den Primärkreis eingesetzten Unterbrecherschalters (S) verbunden ist.
8. 8. Fehlerstrom-Schutzschalter nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet,daß die Sekundärwicklung (20) mit einer Kapazität (26) zu einem Resonanzkreis zusammengeschaltet ist.