DE102008004868A1 - Fehlerstromschutzschalter - Google Patents

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Abstract

Ein Fehlerstromschutzschalter (10) wird mit einer zusätzlichen Funktionalität ausgestattet, so dass ein Stromkreis, in dem der Fehlerstromschutzschalter geschaltet ist, auch vor Lichtbögen geschützt ist. Es werden geeignete Mittel (54, 56, 60, 58) bereitgestellt, mit Hilfe derer erfasst wird, ob in dem Stromkreis ein Lichtbogen auftritt. Durch Simulation eines Fehlerstroms wird der übrige Mechanismus des Fehlerstromschutzschalters im Falle des Auftretens eines Lichtbogens zum Öffnen der Trennkontakte (28, 28') genutzt, so dass der Stromkreis unterbrochen wird.

Description

  • Die Erfindung befasst sich mit dem Schutz vor in einem Stromkreis auftretenden Lichtbögen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Aufgabe wird durch einen Fehlerstromschutzschalter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei
  • 1 schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters veranschaulicht.
  • 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.
  • 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'.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5729145 [0003]
    • - US 6031699 [0003, 0021]
    • - US 572945 [0021]

Claims (7)

  1. Fehlerstromschutzschalter (10), mit zumindest zwei Eingangsanschlüssen (30, 30') und zumindest zwei Ausgangsanschlüssen (32, 32'), wobei je ein Eingangsanschluss (30, 30') über eine Verbindungsleitung mit je einem Ausgangsanschluss (32, 32') verbunden ist, wobei in zumindest einer der Verbindungsleitungen ein Trennkontakt (28, 28') angeordnet ist, und mit Mitteln (34, 36, 38, 40) zum Öffnen jedes Trennkontakts (28, 28') im Falle eines Fehlerstroms, welche von einer an den Eingangsanschlüssen (30, 30') anliegenden Spannung unabhängig arbeiten, gekennzeichnet durch Mittel (54, 56, 60, 58) zum Erfassen, ob in einem Stromkreis, in den die Verbindungsleitungen geschaltet sind, ein Lichtbogen auftritt, und durch Mittel (58, 42, 44, 46) zum Öffnen jedes Trennkontaktes (28, 28') im Falle des Auftretens eines Lichtbogens.
  2. Fehlerstromschutzschalter (10) nach Anspruch 1, bei dem die Mittel zum Öffnen jedes Trennkontakts (28, 28') im Falle eines Fehlerstroms Detektionsmittel (34, 36) aufweisen, durch die jeweils ein Teilabschnitt jeder Verbindungsleitung läuft, und bei dem die Mittel zum Öffnen jedes Trennkontakts im Falle des Auftretens eines Lichtbogens eine Umgehungsleitung (42) mit einem Schalter (46) umfassen, die eine der Verbindungsleitungen mit einer anderen der Verbindungsleitungen derart verbindet, dass bei geschlossenem Schalter (46) und im Falle, dass die Verbindungsleitungen in einem Stromkreis geschaltet sind, ein Strom oder ein Anteil des Gesamtstroms durch den durch die Detektionsmittel (34) verlaufenden Teilabschnitt nur eines Teils aller Verbindungsleitungen fließt.
  3. Fehlerstromschutzschatler (10) nach Anspruch 2, bei dem die Mittel zum Öffnen jedes Trennkontakts im Falle des Auftretens eines Lichtbogens eine Steuereinheit (58) umfassen, die ein Schließen des Schalters (46) in der Umgehungsleitung (42) im Falle des Erfassens des Auftretens eines Lichtbogens bewirkt.
  4. Fehlerstromschutzschalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mittel zum Erfassen an zumindest einer der Verbindungsleitungen eine Information über den in dem Stromkreis fließenden Strom gewinnen.
  5. Fehlerstromschutzschalter (10) nach Anspruch 4, bei dem die Mittel zum Erfassen Mittel (54, 56, 58) zum Messen der Amplitude des über eine Verbindungsleitung fließenden Stroms umfassen.
  6. Fehlerstromschutzschalter (10) nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Mittel zum Erfassen einen Hochfrequenzempfänger (60) umfassen.
  7. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Mittel zum Erfassen eine Auswerteeinheit (58) umfassen, die den Mitteln zum Messen (54, 56) oder dem Hochfrequenzempfänger (60) nachgeordnet oder Teil zumindest eines dieser ist, und die bei Erfüllung bestimmter Kriterien einen Schalter (46) ansteuert.
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