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Die
Erfindung befasst sich mit dem Schutz vor in einem Stromkreis auftretenden
Lichtbögen.
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Ein
Lichtbogen kann in einem Stromkreis z. B. auftreten, wenn ein Lichtschalter
defekt ist und der Abstand zwischen zwei Kontakten des Lichtschalters zu
klein ist, als dass der Stromfluss unterbrochen werden könnte.
Dann bildet sich eben zwischen den zwei Kontakten ein Lichtbogen
aus. Neben einem im Stromkreis in Serie sich ausbildenden Lichtbogen kann
der Lichtbogen auch zwischen Phase und Neutralleiter des Stromkreises
entstehen. Treten Lichtbögen auf, so erhöht sich
die Temperatur der umliegenden Bauteile, und es kann ein Brand entstehen.
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Es
ist daher sinnvoll, eine Einrichtung bereitzustellen, mit der ein
Schutz vor Lichtbögen gewährleistet ist. In den
USA, in denen die so genannte UL-Technik (Underwriters laboratories,
Norm mit 110 V Netzspannung) verwendet wird, sind derartige Einrichtung
sogar vorgeschrieben. Dort werden Lichtbogenschutzschalter eingesetzt,
und zwar erfassen diese anhand vorbestimmter Kriterien, ob ein Lichtbogen
in dem Stromkreis vorliegt und weisen selbst einen Trennkontakt
auf, der im Falle des Vorliegens eines Lichtbogens geöffnet
wird. Die in Lichtbogenschutzschaltern verwendeten Prinzipien sind
in
US-Patent 5,729,145 und
US-Patent 6,031,699 beschrieben.
In den europäischen Ländern, in denen die IEC-Technik
(International Electrotechnical Commission, Norm mit einer Spannung
von 230 V) eingesetzt wird, sind Lichtbogenschutzschalter nicht
zwingend vorgeschrieben. Stromkreise in IEC-Technik sind mit Fehlerschutzstromschalter
und Leitungsschutzschalter geschützt. Bekanntlich arbeiten
Fehlerstromschutzschalter und Leitungsschutzschalter für
die IEC-Technik aufgrund der Vorschriften unabhängig von
der Netzspannung, sie beziehen also für die Unterbrechung
des Stromkreises keine Energie aus dem Netz. Sollte zu diesen Einheiten
noch ein eigener Lichtbogenschutzschalter hinzutreten, wäre dies
mit einem hohen Aufwand verbunden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Schutz von Stromkreisen, insbesondere
solchen in IEC-Technik, vor Lichtbögen zu ermöglichen,
ohne dass ein übermäßiger Aufwand getrieben
wird.
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Die
Aufgabe wird durch einen Fehlerstromschutzschalter mit den Merkmalen
gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die
Erfindung besteht darin, einen herkömmlichen Fehlerstromschutzschalter
(gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1) um eine
zusätzliche Funktionalität, nämlich den
Lichtbogenschutz, zu erweitern. Ein herkömmlicher Fehlerstromschutzschalter
umfasst mehrere Verbindungsleitungen zwischen jeweils einem Eingangsanschluss
und einem Ausgangsanschluss, so dass der Fehlerstromschutzschalter
in einen Stromkreis schaltbar ist. In zumindest einer der Verbindungsleitungen
ist ein Trennkontakt angeordnet. Dieser Trennkontakt wird vermittels
geeigneter Mittel im Falle des Auftretens eines Fehlerstroms geöffnet.
Diese arbeiten bei Fehlerstromschutzschaltern für die IEC-Technik,
um die es vorliegend hier geht, unabhängig von einer an
den Eingangsanschlüssen anliegenden Spannung, also unabhängig
von der Netzspannung. Erfindungsgemäß werden nun
Mittel zum Erfassen bereitgestellt, ob in einem Stromkreis, in dem
die Verbindungsleitungen geschaltet sind, ein Lichtbogen auftritt,
und es werden Mittel zum Öffnen jedes Trennkontakts im Falle
des Auftretens eines Lichtbogens bereitgestellt. Durch die Integration
des Lichtbogenschutzes in einen Fehlerstromschutzschalter können
die Trennkontakte eines solchen auch im Falle des Auftretens eines
Lichtbogens zum Unterbrechen des Stromkreises eingesetzt werden,
und es müssen zum Lichtbogenschutz nicht eigene Trennkontakte
bereitgestellt sein.
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Die
Erfindung nimmt in Kauf, dass in einem Fehlerstromschutzschalter,
der bei der IEC-Technik bei einem Fehlerstrom seine Trennkontakte öffnen soll,
ohne dass Energie aus dem Netz hierfür bereitgestellt werden
muss, unter Umständen für eine zweite Funktionalität,
nämlich für die Erkennung des Auftretens eines
Lichtbogens und ein Auslösen hierbei, netzspannungsabhängig
gearbeitet wird. Die bisher bekannten Mittel zum Erfassen, ob in
einem Stromkreis ein Lichtbogen auftritt, umfassen nämlich Mikrocontroller
und sind daher von einer Versorgungsspannung abhängig.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden
die Mittel zum Öffnen jedes Trennkontakts im Falle eines
Fehlerstroms auch zum Öffnen jedes Trennkontakts im Falle
des Auftretens eines Lichtbogens genutzt. Üblicherweise
weisen die Mittel zum Öffnen jedes Trennkontakts im Falle
eines Fehlerstroms Detektionsmittel auf. Durch die Detektionsmittel
läuft jeweils ein Teilabschnitt jeder Verbindungsleitung.
Nun können die Mittel zum Öffnen jedes Trennkontakts
im Falle des Auftretens eines Lichtbogens eine Umgehungsleitung
mit einem Schalter umfassen, die eine der Verbindungsleitungen mit
der anderen Verbindungsleitung derart verbindet, dass bei geschlossenem
Schalter und im Falle, dass die Verbindungsleitungen in einem Stromkreis
geschaltet sind, ein Strom durch den durch die Detektionsmittel
verlaufenden Teilabschnitt nur eines Teils der Verbindungsleitungen
fließt. Ziehen Verbraucher zusätzlich Strom, so
gibt es einen Stromoffset, aber es fließt ein bestimmter
Anteil des Gesamtstroms durch den Teilabschnitt nur eines Teils
einer Verbindungsleitung.
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Eine
Umgehungsleitung der beschriebenen Art ist zur Prüfung
eines Fehlerstromschutzschalters bekannt. Der Fehlerstromschutzschalter
wird dann mit einer Prüftaste betätigt. Vorliegend
kann vorgesehen sein, dass die Mittel zum Öffnen jedes
Trennkontakts im Falle des Auftretens eines Lichtbogens eine Steuereinheit
umfassen, die ein Schließen des Schalters in der Umgehungsleitung
im Falle des Erfassens des Auftretens eines Lichtbogens bewirkt,
z. B. indem ein passendes Relais mit einem geeigneten Strom zum
Auslösen beaufschlagt wird. Durch das Schließen
des Schalters der Umgehungsleitung wird das Auftreten eins Fehlerstroms
für die Detektionsmittel simuliert, und der Mechanismus,
mit Hilfe dessen die Trennkontakte geöffnet werden, wird
in Gang gesetzt. Durch das einfache Ansteuern des Schalters mittels
der Steuereinheit muss die Lichtbogenfunktionalität nicht über
einen eigenen geeigneten Mechanismus zum direkten Öffnen
der Trennkontakte verfügen, sondern es wird eben indirekt über
die Mittel zum Öffnen der Trennkontakte im Falle eines
Fehlerstroms gearbeitet.
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Die
Mittel zum Erfassen, ob in dem Stromkreis, in dem die Verbindungsleitungen
geschaltet sind, ein Lichtbogen auftritt, können besagtes
Erfassen insbesondere aufgrund einer Analyse des in dem Stromkreis
fließenden Stroms bewerkstelligen. Daher gewinnen sie bevorzugt
an zumindest einer der Verbindungsleitungen eine diesbezügliche
Information, nämlich eine Information über den
in dem Stromkreis fließenden Strom.
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Eine
zum Erfassen, ob ein Lichtbogen in dem Stromkreis auftritt, wichtige
Information ist die Amplitude des Stroms. Geeignete Mittel zum Messen
dieser Amplitude sollten daher bereitgestellt sein, und diese können
einen Stromwandler und einen nachgeschalteten Verstärker
umfassen. Der Stromwandler muss lediglich an einer einzigen der
Verbindungsleitungen angeordnet sein.
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Es
kann auch anhand des Hochfrequenzrauschens des Stroms erfasst werden,
ob ein Lichtbogen im Stromkreis auftritt. Somit umfassen die Mittel zum
Erfassen in einer bevorzugten Ausführungsform einen Hochfrequenzempfänger.
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Zu
den Mitteln zum Erfassen gehört bevorzugt auch eine Auswerteeinheit,
die bevorzugt eine elektronische Auswerteeinheit ist, und diese
empfängt von den Mitteln zum Messen der Amplitude die Messsignale
und die Ausgangssignale des HF-Empfängers. Bei Erfüllung
bestimmter Kriterien steuert die Auswerteeinheit einen Schalter
an. Die Auswerteeinheit, die als Mikrocontroller ausgebildet sein
kann, auf dem ein Algorithmus abläuft, kann nach sehr komplexen
Kriterien und Kri terienkombinationen vorgehen. Die beiden Hauptkriterien,
anhand derer erfasst werden kann, ob ein Lichtbogen auftritt, bestehen
in dem Überschreiten einer bestimmten Amplitude durch den
Strom, z. B. wenn die Stromstärke 5 A überschreitet,
und in einer periodischen Variation des hochfrequenten Rauschens
mit dem Strom.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter
Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei
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1 schematisch
eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Fehlerstromschutzschalters veranschaulicht.
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Ein
in 1 gezeigter Fehlerstromschutzschalter 10 ist
als Teil eines Stromkreises vorgesehen, um auf den Stromfluss innerhalb
dieses Stromkreises Einfluss nehmen zu können. Der Fehlerstromschutzschalter 10 wird über
Leitungen 12, 12' mit einer Spannungsquelle, üblicherweise
dem Versorgungsnetz gekoppelt. Auf der anderen Seite sind die Verbraucher
angekoppelt, vorliegend ist symbolisch der Verbraucher 14 dargestellt.
Es soll nun durch den Fehlerstromschutzschalter 10 das
Auftreten eines Fehlerstroms entdeckt werden, also eines Stroms,
der über eine der Leitungen 12, 12' zur
Seite des Verbrauchers 14 fließt, aber über
die andere der Leitungen 12', 12 nicht zurückfließt.
Im Falle des Erfassens eines Fehlerstroms werden Trennkontakte 28, 28' geöffnet,
damit der Stromfluss unterbrochen wird. Die Trennkontakte 28 bzw. 28' sind
in einer Verbindungsleitung zwischen einem Eingangsanschluss 30 bzw. 30' einerseits
und einem Ausgangsanschluss 32 bzw. 32' des Fehlerstromschutzschalters andererseits
angeordnet.
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Zum
Erfassen eines Fehlerstroms dient ein Summenstromwandler 34.
Durch den Summenstromwandler 34 sind beide Verbindungsleitungen,
vom Anschluss 30 zum Anschluss 32 einerseits und
vom Anschluss 30' zum Anschluss 32' andererseits,
geführt. Im Regelfall, dass kein Fehlerstrom auftritt,
also sämtlicher Strom, der über eine der Leitungen 12 und 12' zugeführt
wird, auch über die jeweils andere Leitung der Leitungen 12 und 12' zurückgeführt
wird, gleichen sich die Ströme in den beiden Verbindungsleitungen,
die durch den Summenstromwandler 34 geführt sind,
genau aus, und insbesondere heben sich die durch diese Ströme
erzeugten Magnetfelder auf. Sobald ein Fehlerstrom auftritt, wird
in dem Summenstromwandler 34 ein Restmagnetfeld induziert.
Dieses induziert einen Strom in einer Sekundärwicklung 36 des
Summenstromwandlers 34, wodurch ein Haltemagnet 38 bewegt
wird, der auf einen Auslösemechanismus 40 einwirkt,
und dieser Auslösemechanismus 40 bewirkt ein Öffnen
der Trennkontakte 28 bzw. 28'.
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Ist
die Funktionalität eines Fehlerschutzstromschalters bereitgestellt,
ist regelmäßig eine Prüfmöglichkeit
vorgesehen. Hierzu ist eine Verbindungsleitung 42 bereitgestellt,
und zwar verbindet diese den einen Eingangsanschluss 30' mit
dem anderen Eingangsanschluss 30 derart, dass ein fließender
Strom den Summenstromwandler 34 nur einfach durchläuft.
Vorliegend ist durch die Verbindungsleitung 42 der in der 1 rechte
Durchlauf des Summenstromwandlers 34 umgangen, und der
Strom fließt lediglich durch den linken Durchlauf, also
in einem Teilabschnitt der Verbindungsleitung zwischen dem Eingangsanschluss 30 und
dem Ausgangsanschluss 32. Damit der Strom über
die Verbindungsleitung 42 begrenzt ist, ist ein Widerstandselement 44 vorgesehen.
Der Strom soll nicht ständig über die Verbindungsleitung 42 fließen.
Daher ist diese durch einen Schalter 46 unterbrochen.
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Üblicherweise
wird ein Schalter 46 bei einem Fehlerstromschutzschalter
durch eine Prüftaste betätigt. Vorliegend ist
ein in 1 nicht gezeigtes elektrisches Relais vorgesehen,
den Schalter 46 zu schließen. Das Ansteuern des
Relais wird weiter unten beschrieben.
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Der
Fehlerstromschutzschalter 10 bewirkt ein Unterbrechen des
Stromkreises bei einem Fehlerstrom. Nun soll der Stromkreis auch
dann unterbrochen werden, wenn in dem Stromkreis an irgendeiner
Stelle ein Lichtbogen aufgetreten ist. Hierzu muss zunächst
einmal überhaupt erkannt werden, dass ein solcher Lichtbogen
aufgetreten ist. Der Lichtbogen kann nicht am Ort seines Auftretens,
das bei einem beliebigen Verbraucher sein kann, erkannt werden,
sondern muss anhand des Stromflusses in dem Stromkreis erkannt werden.
Der Fehlerstromschutzschalter 10 weist hierzu zwei verschiedene Einheiten
auf: Zum einen ist eine der Verbindungsleitungen zwischen Eingangsanschluss
und Ausgangsanschluss des Fehlerstromschutzschalters 10,
vorliegend die Verbindungsleitung zwischen dem Eingangsanschluss 30 und
dem Ausgangsanschluss 32, durch einen Stromwandler 54 geführt.
Dem Stromwandler 54 ist ein Verstärkermodul 56 nachgeordnet, und
das Verstärkermodul 56 ist mit einer Auswerte- und
Steuereinheit 58 verbunden. Letzterer werden somit Daten über
den in dem Stromkreis fließenden Laststrom zugeführt,
wobei vorliegend von der Auswerteeinheit insbesondere die Amplitude
des Laststroms erfasst wird. Als zweite Messeinheit, die zum Erfassen
dient, ob ein Lichtbogen in dem Stromkreis auftritt, ist ein Hochfrequenzempfänger 60 in
dem Fehlerstromschutzschalter 10 bereitgestellt, und zwar
greift er Signale zwischen der Verbindungsleitung zwischen dem Eingangsanschluss 30 und
dem Ausgangsanschluss 32 einerseits und der Verbindungsleitung
zwischen dem Eingangsanschluss 30 und dem Ausgangsanschluss 32 andererseits
ab. Die Messsignale werden ebenfalls der Auswerte- und Steuereinheit 58 zugeführt.
Die Auswerte- und Steuereinheit 58 kann ein herkömmlicher
Mikrocontroller sein. Um diesen mit Energie zu versorgen, ist ein Gleichrichter
(AC/DC-Spannungswandler) 62 bereitgestellt, der die notwendige
Gleichspannung zum Betrieb des Mikrocontrollers bereitstellt.
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In
der Auswerte- und Steuereinheit
58 wird ein Algorithmus
eingesetzt, um anhand der von dem Verstärker
56 und
dem Hochfrequenzempfänger
60 zugeführten
Signale zu erkennen, ob in dem Stromkreis ein Lichtbogen aufgetreten
ist bzw. zumindest aufgetreten sein könnte. Ein Lichtbogen
ist zum einen durch einen Anstieg der Stromamplitude über
ein vorbestimmtes Niveau oder auch bestimmte Stromsteigerungen erkennbar.
Genaueres hierzu ist in dem
US-Patent
6,031,699 beschrieben. Ein Lichtbogen ist zum anderen auch
anhand des Hochfrequenzrauschens erkennbar, insbesondere an einem
periodischen Verhalten desselben mit dem Strom. Details hierzu sind
in dem
US-Patent 5,729,45 beschrieben. Der
von der Auswerte- und Steuereinheit
58 verwendete Algorithmus
kann beide Kriterien alternativ, bevorzugt aber in Kombination verwenden,
wobei über die genannten einfachen Zusammenhänge
hinaus auch kompliziertere Zusammenhänge durch einen geeigneten
Algorithmus erkennbar sein können. Es sind also durch die
Mittel
54,
56,
60 und den Auswertealgorithmus
in der Auswerte- und Steuereinheit
58 erfasst wird, ob
ein Lichtbogen in dem Stromkreis auftritt.
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Diese
Erfassung ist selbstverständlich nur dann sinnvoll, wenn
eine Unterbrechung des Stromkreises nach dem Erkennen des Auftretens
eines Lichtbogens erfolgt. Hierzu beaufschlagt die Auswerte- und
Steuereinheit 58 einfach das Relais zu dem Schalter 46 mit
einem geeigneten Strom, so dass der Schalter 46 geschlossen
wird. Dadurch wird wie oben beschrieben ein Fehlerstrom simuliert,
so dass über den Summenstromwandler 34, die Sekundärspule 36,
den Haltemagneten 38 und die Auswerteeinrichtung 40 ein Öffnen
der Trennkontakte 28 und 28' erfolgt. Die Lichtbogenschutzfunktionalität
umfasst somit im Ganzen lediglich elektronische Mittel 54, 56, 58, 60,
und es wird ansonsten die Mechanik benutzt, die in einem Fehlerstromschutzschalter
ohnehin vorhanden ist.
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Da
die Lichtbogenschutzfunktionalität elektronische Mittel
verwendet, ist es notwendig, dass über den Gleichrichter 62 Energie
aus dem Netz gezogen wird. Wie bei der IEC-Technik jedoch erforderlich,
arbeitet die Fehlerstromschutzfunktionalität netzspannungsunabhängig
(siehe die rein mechanische Wirkungskette der Elemente 36, 38, 40).
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Die
Funktion des Fehlerstromschutzschalters 10 kann mithilfe
einer Prüftaste 80 geprüft werden, die
einen Stromkreis schließt, wobei der Stromfluss durch die
Auswerte- und Steuereinheit 58 erkannt wird, diese ihren
Algorithmus durchlaufen lässt und das zu dem Schalter 46 gehörende
Relais test weise ansteuert. Die Prüftaste 80 ist
vorliegend nicht mechanisch mit dem Schalter 46 gekoppelt,
hat aber letztlich dieselbe Wirkung wie eine mit dem Schalter 46 mechanisch
gekoppelte Prüftaste, wie es sie bei herkömmlichen
Fehlerstromschutzschaltern gibt.
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Eine
Anzeige 82 zeigt den Zustand des Moduls und die erfasste
Ursache der letzten Auslösung an. Dadurch kann ein Techniker
schnell feststellen, ob ein Isolationsfehler oder tatsächlich
ein gefährlicher Lichtbogen die Ursache der Auslösung
war.
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- 10
- Fehlerstromschutzschalter
- 12,
12'
- Leitungen
- 14
- Verbraucher
- 28,
28'
- Trennkontakte
- 30,
30'
- Eingangsanschlüsse
- 34
- Summenstromwandler
- 36
- Sekundärwicklung
- 38
- Haltemagnet
- 40
- Auslösemechanismus
- 42
- Verbindungsleitung
- 44
- Widerstandselement
- 46
- Schalter
- 54
- Stromwandler
- 56
- Verstärkermodul
- 58
- Steuereinheit
- 60
- Hochfrequenzempfänger
- 62
- Gleichrichter
- 80
- Prüftaste
- 82
- Anzeige
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5729145 [0003]
- - US 6031699 [0003, 0021]
- - US 572945 [0021]