DE102007054297A1

DE102007054297A1 - Sicherungslasttrennschalter bzw. Leistungsschalter

Info

Publication number: DE102007054297A1
Application number: DE102007054297A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Fischer; Michael Dipl.-Ing. Gerstner; Josef Dipl.-Ing. Götz; Stefan Dipl.-Ing. Merz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Bei einem Sicherungslasttrennschalter oder auch einem Leistungsschalter wird eine integrierte Widerstandsmesseinrichtung (16) verwendet, die sich dadurch auszeichnet, dass sie einen Stromgenerator (22) zum Erzeugen eines Prüfstroms umfasst. Bei einem Sicherungslasttrennschalter kann eine Sicherung (10) somit überprüft werden, auch wenn ein Schaltelement (12) des Sicherungslasttrennschalters offen ist. Dadurch kann verhindert werden, dass der Sicherungslasttrennschalter eingeschaltet wird, auch wenn die Sicherung (10) defekt ist. Bei dem Leistungsschalter kann bei geöffnetem Schaltelement (36) durch Widerstandsmessung mit Hilfe der integrierten Widerstandsmesseinrichtung (16) geprüft werden, ob in dem Netzsystem ein Kurzschluss vorliegt. Dadurch kann verhindert werden, dass bei vorhandenem Kurzschluss der Leistungsschalter eingeschaltet wird und eine Person oder Geräte zu Schaden kommt bzw. kommen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Idee, die gleichermaßen bei einem Sicherungslasttrennschalter und einem Leistungsschalter einsetzbar ist.
Bei einem Sicherungslasttrennschalter kann im Betrieb der Strom über ein Schaltelement und eine Sicherung fließen. Das Schaltelement kann geöffnet werden, um den Stromfluss zu unterbinden. Bei geschlossenem Schaltelement und zu hoher Stromstärke brennt die Sicherung durch und unterbricht den Stromfluss. Für das Funktionieren eines Sicherungslasttrennschalters ist es unbedingt erforderlich, dass seine Sicherung funktionsfähig ist. Eine Überprüfung der Sicherung erfolgt üblicherweise im Betrieb des Sicherungslasttrennschalters, also bei über die Sicherung fließendem Strom, indem die an der Sicherung abfallende Spannung gemessen wird. Nachteilig hieran ist, dass die Sicherung nicht vor dem Einschalten, insbesondere vor dem Schließen des Schaltelements, geprüft wird. Es können sich Umstände ergeben, wo dies zu einer gefährlichen Situation führt.
Ein Leistungsschalter weist zwei Anschlüsse und zwischen diesen beiden Anschlüssen ein Schaltelement auf. Das Schaltelement soll bei einem Kurzschluss selbsttätig öffnen. Gedacht ist hierbei daran, dass das Schaltelement zunächst geschlossen ist und anschließend der Kurzschluss überhaupt erst entsteht, z. B. indem ein defekter Verbraucher als Last an das über die Anschlüsse mit dem Leistungsschalter gekoppelte Netz angeschlossen wird. Es ist nun aber möglich, dass der Kurzschluss bereits vorab besteht, bevor der Leistungsschalter überhaupt aktiviert wird, z. B. bevor er eingebaut wird, oder bevor das Schaltelement geschlossen wird. Im Stand der Technik lässt sich ein solcher Kurzschluss nicht vorhersehen. Die Person, die gerade das Schaltelement schließen möchte, kann dann in Gefahr geraten, denn das Schaltelement öffnet sofort selbsttätig wieder, und hierbei kommt es zum ersten zu einem großen Lärm (Explosionsknall), und außerdem können Lichtbögen entstehen, die das Austreten von heißen Gasen, ja sogar von flüssigem Metall, bewirken können, wodurch die Bedienperson schwere Verbrennungen erleiden kann. Es können auch Bauteile abspringen, die die Bedienperson verletzen können und auch Geräte in der Umgebung schädigen können. Das Vorhandensein eines Kurzschlusses bei Einschalten eines Leistungsschalters ist keineswegs selten: Bei Reparaturen werden bewusst Kurzschlussbrücken installiert, und es passiert regelmäßig, dass vergessen wird, die installierten Kurzschlussbrücken nach der Reparatur wieder zu entfernen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Sicherungslasttrennschalter und einen Leistungsschalter bereit zu stellen, bei denen die oben beschriebenen Gefahren nicht auftreten können.
Die Aufgabe wird durch einen Sicherungslasttrennschalter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und einem Verfahren zum Einsetzen eines solchen Sicherungslasttrennschalters gemäß Patentanspruch 8, durch einen Leistungsschalter gemäß Patentanspruch 2 und durch ein Verfahren zum Einsetzen eines solchen Leistungsschalters gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
Dem erfindungsgemäßen Sicherungslasttrennschalter und dem erfindungsgemäßen Leistungsschalter ist gemeinsam, dass sie eine integrierte Widerstandsmesseinrichtung umfassen. Kern der Erfindung ist, dass diese integrierte Widerstandsmesseinrichtung einen Stromgenerator zum Erzeugen eines Prüfstroms umfasst. Dies bedeutet, dass die integrierte Widerstandsmesseinrichtung unabhängig von dem Schaltzustand des jeweiligen Schaltelements arbeiten kann. Im Falle des Sicherungslasttrennschalters kann bei nicht eingeschaltetem Schaltelement der Widerstand der Sicherung überprüft werden und anhand dieses Widerstandes ermittelt werden, ob die Sicherung funktionsfähig ist oder nicht. Im Falle des Leistungsschalters kann bei geöffnetem Schaltelement der Widerstand (allgemein die Impedanz) gemessen werden, der zwischen den An schlüssen abfällt. Im Regelzustand ist der Leistungsschalter in das Netz geschaltet, so dass sich der zwischen den zwei Anschlüssen abfallende Widerstand durch die Netzimpedanz und den Widerstand der an das Netz angeschlossenen Lasten ergibt. Im Falle eines Kurzschlusses ist dieser Widerstand besonders klein. Anhand der Widerstandsmessung kann daher ein Kurzschluss erkannt werden.
Um das Messergebnis der Widerstandsmesseinrichtung jeweils auswerten zu können, weisen die erfindungsgemäßen Schalter bevorzugt eine Einrichtung zum Vergleichen des gemessenen Widerstands mit einem Schwellwert auf, wobei die Einrichtung bei vorbestimmtem Ausgang des Vergleichens ein Steuersignal abgibt. Der vorbestimmte Ausgang ist im Falle des Sicherungslasttrennschalters das Überschreiten eines Schwellwerts: Wenn der Widerstand der Sicherung zu hoch ist, ist die Sicherung defekt. Bei dem Leistungsschalter ist der vorbestimmte Ausgang des Vergleichens ein Unterschreiten des Schwellwerts: Wenn der gemessene Widerstand zu klein ist, ist dies ein Anzeigen für einen Kurzschluss im System.
Das Steuersignal kann man direkt dazu verwenden, das Schaltelement zu blockieren, damit der Sicherungslasttrennschalter bzw. Leistungsschalter nicht versehentlich eingeschaltet wird. Eine einfache und dennoch effektive Ausführungsform ist es, Mittel vorzusehen, mit denen ein Benutzer akustisch und optisch gewarnt wird. Diese Mittel erhalten dann das genannte Steuersignal. Beispielsweise leuchtet eine LED auf, um anzuzeigen, dass der Schalter nicht eingeschaltet werden soll.
Man wird üblicherweise die integrierte Widerstandsmesseinrichtung so auslegen, dass sie ständig an zwei Anschlüssen angeschlossen ist. Es muss dann verhindert werden, dass im eingeschalteten Zustand ein nennenswerter Anteil des Stroms über die integrierte Widerstandsmesseinrichtung fließt, denn im Falle des Sicherungslasttrennschalters würde dann die Sicherung umgangen und im Fall des Leistungsschalters möglicherweise verhindert, dass das Schaltelement geschaltet wird.
Die Impedanz lässt sich insbesondere dann geeignet gestalten, wenn als Prüfstrom ein Wechselstrom verwendet wird, der Stromgenerator also einen Wechselstromgenerator ist. Üblicherweise ist die Netzfrequenz des Stromnetzes, für das der Schalter vorgesehen ist, bekannt und feststehend. Relativ zu dieser Frequenz lässt sich dann die Frequenz des von dem Stromgenerator erzeugten Wechselstroms erzeugen. Bevorzugt ist die Frequenz des von dem Stromgenerator erzeugten Wechselstroms zumindest hundertmal, bevorzugt zumindest tausendmal und besonders bevorzugt zwischen zweitausend- und fünfzehntausendmal so groß wie die Netzfrequenz. Dann lassen sich die Impedanzen besonders geeignet gestalten.
Man kann die Definition auch anhand der Impedanz wählen: Die zwischen den beiden Anschlüssen, über die die Widerstandsmesseinrichtung den Prüfstrom sendet, bereitgestellte Impedanz soll frequenzabhängig sein, und zwar soll der Blindwiderstand (Imaginärteil der Impedanz) bei der Netzfrequenz des Stromnetzes, für das der Schalter vorgesehen ist, um einen Faktor von zumindest hundert, bevorzugt von zumindest dreihundert und besonders bevorzugt von mindestens tausend Mal größer sein, als es der Blindwiderstand (Imaginärteil der Impedanz) bei der von der Netzfrequenz verschiedenen Frequenz des von dem Stromgenerator erzeugten Wechselstroms ist. So kann man geeignete Impedanzelemente wählen, die bei einer Frequenz des Prüfstromes von 200 bis 500 kHz einen Blindwiderstand von 50 Ω bis 100 Ω haben, während sie bei der Netzfrequenz von 50 Hz einen Blindwiderstand von 100 kΩ haben. Dann ist gewährleistet, dass ein unbedeutender Anteil des Stroms über die integrierte Widerstandsmesseinrichtung und an der Sicherung bzw. dem Schaltelement vorbeifließt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsetzen eines Sicherungslasttrennschalters der erfindungsgemäßen Art beginnt damit, dass zunächst überprüft wird, ob das Schaltelement offen ist, und dass dieses gegebenenfalls geöffnet wird. Erst dann erfolgt das Anschließen der beiden Anschlüsse des Sicherungslasttrennschalters an Netzleitungen. Bevor nun das Schaltele ment geschlossen wird, wird zunächst der Widerstand der Sicherung gemessen. Wie oben erläutert, kann ein Schwellwertkriterium verwendet werden, um zu prüfen, ob die Sicherung funktionsfähig ist oder nicht. Die Sicherung muss ausgetauscht werden, falls sie nicht funktionsfähig ist. Sobald eine funktionsfähige Sicherung eingesetzt ist, kann das Schaltelement geschlossen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsetzen eines Leistungsschalters der erfindungsgemäßen Art beginnt ebenfalls damit, dass gewährleistet wird, dass das Schaltelement geöffnet ist, und dann werden die beiden Anschlüsse an die Netzleitungen angeschlossen. Bevor nun das Schaltelement geschlossen wird, wird der Widerstand zwischen den beiden Anschlüssen gemessen. Dies ist der Widerstand des angeschlossenen Netzes zusammen mit dem Widerstand der an dem Netz an der Seite des Leistungsschalters angeschlossenen Verbraucher. Das Messergebnis wird mit Hilfe eines Schwellwertkriteriums in der oben beschriebenen Art darauf hin ausgewertet, ob in dem Netz ein Kurzschluss vorhanden ist oder nicht. Falls ein Kurzschluss vorhanden ist, darf das Schaltelement auf keinen Fall geschlossen werden. Der Kurzschluss muss beseitigt werden. Falls kein Kurzschluss vorhanden ist, kann das Schaltelement geschlossen werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Sicherungslasttrennschalters und
2 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters, beide jeweils an das Netz angeschlossen, zeigt.
Ein Sicherungslasttrennschalter wird zum Schutze von Verbrauchern eingesetzt, die an bestimmten Stellen, z. B. in einem bestimmten Raum eines Gebäudes, Strom von einem Netz ziehen.
Der Sicherungslasttrennschalter umfasst eine Sicherung 10 und ein Schaltelement 12, das in Reihe mit der Sicherung 10 geschaltet ist, und Sicherung 10 und Schaltelement 12 sind hintereinander in eine Phasenleitung hinein geschaltet, was in 1 dadurch symbolisiert ist, dass die Leitung L1 zum Schaltelement 12 führt und die Leitung L1' von der Sicherung 10 wegführt. Der Verbraucher ist durch seine Impedanz R_Last symbolisiert. Der Verbraucher ist an einen Null-Leiter N des Netzwerkes angeschlossen. Das Netzwerk ist durch einen Netzgenerator 14 für Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz, einen Widerstand R_i und eine Induktivität L_i symbolisiert.
In den Sicherungslasttrennschalter ist nun eine Widerstandsmesseinrichtung 16 integriert. Die Widerstandsmesseinrichtung 16 misst den Widerstand zwischen Anschlüssen 18 und 18', zwischen denen die Sicherung 10 geschaltet ist. Zur Widerstandsmesseinrichtung gehört eine Messbrückenanordnung 20, die in an sich bekannter Weise einen Referenzzweig mit einem Referenzkondensator C_{ref_1}, einem Referenzkondensator C_{ref_2} und einem Referenzwiderstand R_ref sowie einen Messkreis mit einem Kondensator C_{mess_1}, einem Kondensator C_{mess_2} und einem Widerstand R_mess umfasst, wobei in den Messkreis die Sicherung 10 geschaltet ist. Ein Wechselstromgenerator 22 erzeugt einen Wechselstrom, der somit über die Sicherung 10 fließen kann. Wie bei Messbrücken üblich, haben zugeordnete Bauelemente aus dem Referenzkreis dieselben Parameter wie die aus dem Messkreis. Vorliegend haben C_{ref_1} und C_{mess_1} dieselbe Kapazität, C_{ref_2} und C_{mess_2} dieselbe Kapazität und R_ref und R_mess denselben Widerstandswert. Die Kondensatoren sollten bei einer Frequenz des Wechselstroms von 200–500 kHz eine Kapazität von kleiner als 100 nF haben, und die Widerstände einen Widerstandswert von 1 kΩ. Die Abgriffspunkte 24 und 26 werden mit den beiden Eingängen 28 und 30 eines Operationsverstärkers 32 verbunden, der Teil einer Auswerteeinheit 34 ist, und der an einem in den FIG nicht dargestellten Digitalausgang einen Messwert für den Widerstand ausgibt, der zwischen den Anschlüssen 18 und 18' abfällt, also für den Widerstand der Sicherung 10. Die Auswerteeinheit 34 kann grundsätzlich belie big gestaltet sein. Wesentlich ist es, dass die Auswerteeinheit 34 den gemessenen Widerstandswert mit einem Schwellwert vergleicht. Überschreitet der Widerstandswert einen vorbestimmten Schwellwert, bedeutet dies, dass die Sicherung 10 durchgebrannt ist, also nicht mehr funktionsfähig ist. Dann erfolgt die Abgabe eines Steuersignals an eine in der 1 nicht gezeigte Warneinrichtung des Sicherungslasttrennschalters, z. B. an eine Leuchtdiodeneinheit, damit eine Leuchtdiode zu leuchten beginnt, wenn die Sicherung 10 durchgebrannt ist. Die integrierte Widerstandsmesseinrichtung 16 funktioniert – was durch die Erfindung erstmals ermöglicht wird – dann, wenn das Schaltelement 12 geöffnet ist. Es wird somit ermöglicht, den Sicherungslasttrennschalter zu überprüfen, bevor er eingeschaltet wird. Dadurch wird verhindert, dass ein Schaden auftritt.
Ein erfindungsgemäßer Leistungsschalter ist in 2 dargestellt. Auch der erfindungsgemäße Leistungsschalter weist ein Schaltelement auf, das in 2 mit 36 bezeichnet ist. Auch hier gibt es eine integrierte Widerstandsmesseinrichtung 16, und zwar ist diese genauso aufgebaut wie die integrierte Widerstandsmesseinrichtung aus dem erfindungsgemäßen Sicherungslasttrennschalter, der in 1 gezeigt ist, so dass die Bauteile der integrierten Widerstandsmesseinrichtung in 2 auch gleich bezeichnet sind. Der Messzweig ist nun mit Anschlüssen 38 und 38' verschaltet, die normalerweise über das Schaltelement 36 elektrisch miteinander verbunden werden. Es geht vorliegend aber nicht um die Messung des Widerstands des Schaltelements 36. Vielmehr ist es Aufgabe der integrierten Widerstandsmesseinrichtung, den Widerstand zu messen, der zwischen den Anschlüssen 38 und 38' gegeben ist, gerade wenn das Schaltelement 36 geöffnet ist. Dieser Widerstand ergibt sich aus dem Lastwiderstand R_Last und der Impedanz des Netzes, siehe den symbolisch gezeigten Widerstand R_i. Sollte nun in dem Netz ein Kurzschluss auftreten, würde die integrierte Widerstandsmesseinrichtung 16 einen besonders kleinen Widerstand zwischen den Punkten 24 und 26 erfassen. Die digitale Auswerteeinheit 34 vergleicht den zwischen den Punkten 24 und 26 auftretenden Widerstand mit einem Schwellwert. Dieser Schwellwert soll so gewählt sein, dass er auch bei kleinem Widerstand R_last nicht unterschritten wird. Er soll andererseits so gewählt sein, dass er bei Vorhandensein eines Kurzschlusses des Gesamtsystems unterschritten wird. Bei Unterschreiten des Schwellwerts, also beim Vorhandensein eines Kurzschlusses, gibt die digitale Auswerteeinheit 34 wiederum ein Warnsignal ab, auch hier z. B. an eine Leuchtdiodeneinheit, damit eine Leuchtdiode zur Warnung des Benutzers leuchtet und es dieser unterlässt, das Schaltelement 36 einzuschalten. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Benutzer das Schaltelement 36 bei einem Kurzschluss einschaltet und hierbei einen gesundheitlichen Schaden erhält, und auch, dass hierbei das elektrische System beschädigt wird.

Claims

Sicherungslasttrennschalter mit einer zwischen zwei Anschlüssen (18, 18') bereitgestellten Sicherung (10) und einem Schaltelement (12), sowie mit einer integrierten Widerstandsmesseinrichtung (16) zur Messung des durch die Sicherung (10) gegebenen elektrischen Widerstands, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Widerstandsmesseinrichtung (16) einen Stromgenerator (22) zum Erzeugen eines Prüfstroms umfasst.
Leistungsschalter mit zwei Anschlüssen (38, 38') und einem zwischen den Anschlüssen (38, 38') angeordneten Schaltelement (36), gekennzeichnet durch eine integrierte Widerstandsmesseinrichtung (16) zur Messung des zwischen den Anschlüssen (38, 38') abfallenden Widerstands, insbesondere bei geöffnetem Schaltelement (36), wobei die integrierte Widerstandsmesseinrichtung (16) einen Stromgenerator (22) zum Erzeugen eines Prüfstroms umfasst.
Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (22) einen Wechselstrom erzeugt.
Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (22) einen Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt, die zumindest hundertmal, bevorzugt zumindest tausendmal, besonders bevorzugt zwischen zweitausend- und fünfzehntausendmal so groß wie die Netzfrequenz des Stromnetzes ist, für das der Schalter vorgesehen ist.
Sicherungslasttrennschalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Widerstandsmesseinrichtung (16) zwischen den beiden Anschlüssen (18, 18'; 38, 38') bereitgestellte Impedanz frequenzabhängig ist und ihr Imaginärteil bei der Netzfrequenz des Stromnetzes, für das der Schalter vorgesehen ist, um einen Faktor von zumindest hundert, bevorzugt zumindest dreihundert und besonders bevorzugt zumindest tausend größer ist, als es ihr Imaginärteil bei der von der Netzfrequenz verschiedenen Frequenz des von dem Stromgenerator (22) erzeugten Wechselstroms ist.
Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Widerstandsmesseinrichtung (16) eine Einrichtung (34) zum Vergleichen des gemessenen Widerstands mit einem Schwellwert umfasst, die bei vorbestimmten Ausgang des Vergleichens ein Steuersignal abgibt.
Schalter nach Anspruch 6, mit Mitteln zum akustischen oder optischen Warnen eines Benutzers, wobei diese Mittel das Steuersignal von der Einrichtung (34) zum Vergleichen erhalten.
Verfahren zum Einsetzen eines Sicherungslasttrennschalters nach Anspruch 1 in einem Netz, mit den Schritten: – Gewährleisten, dass das Schaltelement (12) geöffnet ist, – Anschließen des Sicherungslasttrennschalters an Netzleitungen (L1, L1'), – Messen des Widerstands der Sicherung und Auswerten des Messergebnisses mit Hilfe eines Schwellwertkriteriums daraufhin, ob die Sicherung funktionsfähig ist oder nicht, und a) falls die Sicherung (10) nicht funktionsfähig ist, Austauschen derselben durch eine funktionsfähige Sicherung, b) falls die Sicherung (10) funktionsfähig ist, Schließen des Schaltelements (12).
Verfahren zum Einsetzen eines Leistungsschalters nach Anspruch 2 in einem Netz, mit den Schritten: – Gewährleisten, dass das Schaltelement (36) geöffnet ist, – Anschließen der beiden Anschlüsse (38, 38') an die Netzleitungen (L1, L1'), – Messen des Widerstands zwischen den beiden Anschlüssen und Auswerten des Messergebnisses mit Hilfe eines Schwellwertkriteriums daraufhin, ob in dem Netz ein Kurzschluss vorhanden ist oder nicht, und a) falls ein Kurzschluss vorhanden ist, Offenlassen des Schaltelements (36), b) falls kein Kurzschluss vorhanden ist, Schließen des Schaltelements (36).