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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungsschalters,
wobei Hauptanwendungsfall ein Niederspannungsleistungsschalter ist,
und zwar insbesondere ein so genannter offener Niederspannungsleistungsschalter.
Die Erfindung betrifft auch einen (Niederspannungs-)Leistungsschalter.
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Kennzeichen
eines in Betrieb genommenen Leistungsschalters ist, dass zumindest
eine Stromleitung über
den Leistungsschalter geführt
ist. Aufgabe des Leistungsschalters ist es, unter vorbestimmten Bedingungen
die Leitung zu unterbrechen, so dass ein Stromfluss durch die Leitung
unterbunden ist.
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Ein
Leistungsschalter weist, damit eine Leitung über ihn führbar ist, für eine solche
Leitung ein Anschlusspaar auf. Die an sich bestehende Leitung wird
mit einer Unterbrechung versehen, und die so bereitgestellten Leitungsenden
werden jeweils mit einem Anschluss des Anschlusspaars verbunden.
Nun gibt es im Leistungsschalter einen vorbestimmten Zustand, den
Grundzustand, in dem eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlusspaaren
besteht. Die elektrische Verbindung ist dadurch bereitgestellt, dass
zwischen den Anschlusspaaren eine Verbindungsleitung bereitgestellt
ist, die durch ein Schaltglied unterbrechbar ist. Die elektrische
Verbindung besteht dann, wenn das Schaltglied geschlossen ist. Dass
das Schaltglied in eine Verbindungsleitung integriert ist, lässt sich
auch so ausdrücken,
dass zwei Verbindungsleitungen über
ein Schaltglied miteinander verbunden sind. Man erhält somit
die Anordnung, dass von dem Anschluss eine Verbindungsleitung ausgeht,
diese in das Schaltglied übergeht
und das Schalt glied in eine weitere Verbindungsleitung übergeht,
die zum Anschluss führt.
Die Schaltglieder sind auch als „Kontaktglieder” bezeichenbar,
ihre Gesamtheit als „Kontaktsystem”. Das Schaltglied
oder die Schaltglieder wird bzw. werden irgendwie betätigt. Sämtliche
Bauteile, die hierbei einbezogen sind, lassen sich unter dem Begriff
der „Mittel
zum Unterbrechen der Verbindung” zusammenfassen.
Die vorbestimmten Bedingungen, unter denen der Leistungsschalter
die Leitung, die über
ihn geführt
ist, unterbricht, betreffen üblicherweise
eine Stromstärke. Die
Mittel zum Unterbrechen der Verbindung sind somit dazu ausgelegt,
im Betrieb in Abhängigkeit
von der Stromstärke
eines über
zumindest eine solche Verbindung fließenden Stroms das Schaltglied
zu öffnen
und so die elektrische Kopplung zwischen den Anschlüssen eines
Anschlusspaars aufzuheben. Üblicherweise
wird eine Verbindung dann unterbrochen, wenn der über sie
selbst fließende
Strom eine bestimmte Stromstärke überschreitet.
Bei Mehrphasensystemen kann ein Auslösekriterium jedoch aufwendiger
sein, so dass bei einer Verbindung der Hauptschalter geöffnet wird,
wenn für
die Gesamtheit der über
die einzelnen Verbindungen fließenden
Ströme die
vorbestimmten Bedingungen erfüllt
sind.
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Es
bestehen zunehmend Anforderungen, dass die Stromstärken von
Strömen,
welche über Leistungsschalter,
insbesondere Niederspannungsleistungsschalter, fließen können, immer
höher werden.
Es steigen somit die so genannten Schalterbemessungsströme. Gleichzeitig
sollen die Gehäuseabmessungen
unverändert
bleiben, teilweise sollen die Leistungsschalter sogar kompakter
gebaut sein.
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Je
höher die
Stromstärke
ist, desto höher
ist die Verlustleistung, und damit ergibt sich eine höhere Wärmeentwicklung.
Die Wärme
muss abgeführt
werden, damit die in der einschlägigen
Leistungsschalternorm geforderten maximalen Grenztempera turen an
verschiedenen Schalterteilen nach Dauer- und/oder Kurzschlussbelastung
eingehalten werden.
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In
der Vergangenheit hat man sich bemüht, die Verlustleistungen zu
minimieren, gleichzeitig wurde die passive Wärmeabfuhr vom Schalter in die
Umgebung immer weiter optimiert.
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Als
Steigerung lässt
sich lediglich an eine aktive Kühlung
denken.
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Eine
aktive Kühlung
wurde bereits bei Leistungsschaltern aus dem Hause der Anmelderin
Siemens AG in den 1980er Jahren vorgesehen. Der Gleichstrom-Schnellschalter
3WV5 der Siemens AG umfasst einen Lüfter, der Gleichstrom-Schnellschalter
3WV7 zwei Lüfter.
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Die
Anschlüsse
der Lüfter
waren bei diesen Geräten
auf eine getrennte Klemmenleiste herausgeführt. Ein Ein- und Ausschalten
erfolgte über
einen Bimetallschalter bzw. ein Steuerschütz, so dass eine Temperaturschwelle
für das
Einschalten vorgebbar war, genauso auch für das Ausschalten.
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Da
der Lüfter
mit Fremdspannung betrieben wurde, wurde bei der Konstruktion des
Leistungsschalters zugleich an die Möglichkeit seines Ausfalls gedacht.
Ein Temperatursensor war zum Messen der Temperatur vorgesehen, und überschritt
diese Temperatur einen vorbestimmten Schwellwert, wurde eine Meldeeinrichtung
wie eine Lampe oder Hupe aktiv, die für ein Warnsignal an menschliche
Personen sorgte, durch das mitgeteilt wurde, dass ein Überhitzen
des Leistungsschalters eingetreten war und Beschädigungen drohten.
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Für zukünftige Anwendungen
erweist es sich als problematisch, wenn mit dem Ausfall der Lüftung gerechnet
werden muss.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie ein Sicherheitsanforderungen
erfüllender
Leistungsschalter besonders hohe Ströme führen kann, auch wenn er kompakt
gebaut ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und einen
Leistungsschalter gemäß Patentanspruch
6 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird somit zumindest ein Bauteil des Leistungsschalters mit Mitteln
zum Kühlen
gekühlt,
die mit elektrischer Energie betrieben werden, welche durch einen über die überwachte,
also gegebenenfalls zu unterbrechende Leitung, fließenden Strom
bereitgestellt ist.
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Der
Betrieb der Mittel zum Kühlen
wird somit an die Ursache für
das Erzeugen der abzuführenden Wärme angekoppelt.
Die Mittel zum Kühlen
können nur
dann ausfallen, wenn über
die gegebenenfalls zu unterbrechende Leitung kein Strom fließt. Dieser
Fall ist aber unkritisch, weil genau ein solcher Strom die abzuführende Wärme erzeugt.
Fließt
kein Strom mehr über
die gegebenenfalls zu unterbrechende Leitung, so entsteht auch keine
Wärme,
und der dann gleichzeitige Ausfall der Mittel zum Kühlen geht
nicht mit einer Überhitzung
des Leistungsschalters einher.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Leistungsschalter
lässt sich
das erfindungsgemäße Verfahren dadurch
durchführen,
dass Mittel zum Zuführen
von elektrischer Energie zu den Mitteln zum Kühlen bereitgestellt sind, wobei
die Mittel zum Zuführen
derart an zumindest eine Verbindungsleitung gekoppelt sind, dass
die elektrische Energie für
die Mittel zum Kühlen
durch Fließen
von Strom über
die zumindest eine Verbindungsleitung bereitgestellt wird (wenn sich
der Leistungsschalter im Grundzu stand befindet, also die Verbindung
zwischen Anschlusspaaren geschlossen ist).
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Grundsätzlich kann
die elektrische Energie einfach durch Anschlüsse abgezapft werden. Es hat sich
jedoch als vorteilhaft erwiesen, die Energie induktiv bereitzustellen:
Durch Induktion aus der gegebenenfalls zu unterbrechenden Leitung
(nämlich durch
einen durch diese Leitung fließenden
Strom) wird ein Betriebsstrom für
die Mittel zum Kühlen
bereitgestellt. Vorrichtungsseitig bedeutet dies somit, dass die
Mittel zum Zuführen
eine Induktivität
(Spule) umfassen.
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Das
induktive Auskoppeln von Strömen
ist bei Leistungsschaltern an sich bekannt, die Mittel zum Unterbrechen
umfassen häufig
einen Stromwandler, der induktiv arbeitet. Über einen induzierten Strom
wird dann die Stromstärke
in der Stromleitung gemessen. Die Auswerteeinheit, die typischerweise ein
elektronisches Bauteil wie ein Mikroprozessor ist, wird häufig gleichfalls über induzierte
Ströme
betrieben. Dies sind Ströme
im Milliampere-Bereich. Die Erfindung beruht bei dem Aspekt der
Verwendung des induktiven Prinzips auf der Erkenntnis, dass auch Ströme für Mittel
zum Kühlen,
die typischerweise einige Ampere betragen, durch Induktion aus der
zu überwachenden
Leitung bereitgestellt werden können.
Hierbei kann an bekannte Transformatorprinzipien angeknüpft werden.
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Die
Mittel zum Kühlen
können
mit einer Kühlflüssigkeit
arbeiten, die in einem Kreislauf transportiert wird. Besonders vorteilhaft
ist aber die Verwendung eines Lüfters.
Bei Verwendung eines Lüfters bestehen
relativ freie Gestaltungsmöglichkeiten,
was das Aussehen des Leistungsschalters angeht, denn Luft kann auf
beliebigen Pfaden geführt
werden und bedarf keines gesonderten Kanals. Lüfter sind auch relativ preiswert
und nehmen nicht übermäßig viel Platz
ein.
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Zwar
ist durch die Erfindung bereits dafür gesorgt, dass die Wahrscheinlichkeit
eines Überhitzens des
Leistungsschalters gering ist. Gemäß einem bevorzugten Aspekt
der Erfindung wird jedoch auch für diesen
unwahrscheinlichen Fall vorgesorgt: Ein Temperatursensor misst eine
Temperatur im Lastschalter (z. B. eines Bauteils desselben). Während die
vorbestimmten Bedingungen, unter denen die Leitung unterbrochen
wird, bei einem Grundbetrieb festgelegt sind, werden diese bei bestimmten
Temperaturwerten, welche der Temperatursensor misst, geändert. Die
vorbestimmten Bedingungen sind typischerweise durch einen Schwellwert
für die
Stromstärke
durch die Leitung angebbar. Wenn bestimmte Stromstärken im
Grundbetrieb noch akzeptiert sind, so kann es sein, dass diese Stromstärken bei
Ausfall des Lüfters oder
einer Überlastung
desselben nicht mehr akzeptabel sind, weil sie mit einer zu großen Wärmeentwicklung
einhergehen. Daher wird bevorzugt bei Überschreitung bestimmter Temperaturwerte
der Schwellwert für
die Auslösung
des Leistungsschalters gesenkt.
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Vorrichtungsseitig
lässt sich
dies so formulieren, dass die Mittel zum Unterbrechen der Verbindung
im Betrieb gemäß zumindest
einem Datenwert arbeiten, der angibt, wann (also unter welchen Bedingungen)
ein Hauptschalter geöffnet
wird. Dann wird bei diesem Aspekt der Erfindung ein Temperatursensor
bereitgestellt, der mit den Mitteln zum Unterbrechen der Verbindung
gekoppelt ist, um diesem Signale zuzuführen. Zudem wird der jeweils
gültige
Datenwert in Abhängigkeit
von von dem Temperatursensor zugeführten Signalen festgelegt.
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Typischerweise
steht der Datenwert als informationelles Datum zur Verfügung, die
Mittel zum Unterbrechen umfassen dann eine Datenverarbeitungseinheit
wie beispielsweise einen Mikroprozessor. In dieser Datenverarbeitungseinheit
wird dann das Auslösekriterium
einfach dadurch geändert,
dass der Datenwert gegenüber
einem Grundzustand geändert wird.
Er kann aus einer Mehrzahl von Datenwerten ausgewählt werden,
bei Verwendung mehrerer Datenwerte gleichzeitig beim Auslösekriterium
kann eine so genannte Auslösekennlinie
aus einer Mehrzahl von möglichen
Auslösekennlinien
ausgewählt werden.
Genauso kann der Datenwert auch gemäß einer Formel berechnet werden,
in der z. B. die gemessene Temperatur berücksichtigt ist bzw. kann eine
Auslösekennlinie
auf diese Weise berechnet werden. Sollten die Mittel zum Unterbrechen
den Datenwert implizit durch bauliche, mechanische Maßnahmen
verwenden, kann durch Manipulation dieser mechanischen Einheiten
der Datenwert gegebenenfalls geändert
werden.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei 1 schematisch
die zur Beschreibung der Erfindung wesentlichen Bauteile eines Niederspannungsleistungsschalters
zeigt.
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Ein
in 1 dargestellter und im Ganzen mit 10 bezeichneter
so genannter offener Niederspannungsleistungsschalter umfasst zugehörige Anschlüsse 12a, 12b, 14a, 14b, 16a und 16b zum
Anschluss an Phasenleiter eines dreiphasigen Systems. Ein gegebenenfalls
bereitzustellendes Anschlusspaar für einen Neutralleiter ist in 1 nicht gezeigt.
Die Erfindung ist auch auf Niederspannungsleistungsschalter anwendbar,
die nicht für
Dreiphasensysteme gedacht sind. Z. B. gilt bei einem einphasigen
System das nachfolgend Gesagte analog.
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Die
Anschlüsse
eines Anschlusspaars sind elektrisch miteinander verbindbar. In
einer solchen Verbindung soll allerdings ein Schalter vorgesehen sein.
Dies lässt
sich so beschreiben, dass der Anschluss 12a mit einer Verbindungsleitung 20a verbunden
ist und der Anschluss 12b mit einer Verbindungsleitung 20b verbunden
ist, wobei die Verbindungsleitungen 20a und 20b über einen
Schalter 22 elektrisch miteinander verbindbar sind. Analoges
gilt für
die Verbindungsleitungen 24a, 24b mit dem Schalter 26 zu
den Anschlüssen 14a und 14b und
für Verbindungsleitungen 28a, 28b mit
dem Schalter 30 für
das Anschlusspaar aus den Anschlüssen 16a und 16b.
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Bei
geschlossenen Schaltern 22, 26 und 30 ist
eine Verbindung zwischen den Anschlüssen eines Anschlusspaares 12a, 12b bzw. 14a, 14b bzw. 16a, 16b geschaffen,
wobei durch Anschluss von Phasenleitern an die Anschlüsse bewirkt
ist, dass Leitungen eines Stromleitungssystems über den Leistungsschalter 10 geführt sind.
Die Leitungen können
durch Öffnen
der Schalter 22, 26 und 30 unterbrochen
werden. Dies lässt
sich so ausdrücken,
dass die elektrische Kopplung zwischen den Anschlüssen eines
Anschlusspaares durch Öffnen
des jeweiligen Schalters aufgehoben wird. Die Schalter 22, 26 und 30,
die sich als „Hauptschalter” bezeichnen
lassen, wenn es in dem Leistungsschalter 10 noch weitere
Schalter gibt, sind durch ein Schaltschloss 32 öffenbar.
Das Schaltschloss 32 wird vorliegend durch einen Auslösemagneten 34 ausgelöst. Die
Erfindung ist auf die Verwendung eines Auslösemagneten 34 zum
Auslösen
eines Schaltschlosses 32 nicht beschränkt. Ein Auslösen erfolgt
in Abhängigkeit
von der Stromstärke
des von einem der Anschlüsse 12a, 12b bzw. 14a, 14b, bzw. 16a, 16b zum
jeweils anderen fließenden Stroms.
Vorliegend werden durch Induktivitäten 36, 38 und 40 die
Verbindungsleitungen 20b, 24b bzw. 28b umgeben,
so dass in den Induktivitäten 36, 38 bzw. 40 ein
Strom induziert wird, dessen Stromstärke proportional zur Stromstärke des
durch die Verbindungsleitung 20b, 24b bzw. 28b fließenden Stroms ist.
In an sich bekannter Weise überwacht
eine elektronische Überwachungseinheit 42 diesen
Strom. Die elektronische Überwachungseinheit 42 verwendet
in bekannter Weise vorbestimmte Kriterien, um zu entscheiden, ob
die Schalter 22, 26 und 30 geöffnet werden
sollen und steuert gegebenenfalls den Auslösemagneten 34, der
mit der elektronischen Überwachungseinheit 42 hierzu
gekoppelt ist, an. Die elektronische Überwachungseinheit 42 ist
ein Mikroprozessor, der in an sich bekannter Weise vermittels des in
den Induktivitäten 36, 38 bzw. 40 induzierten Stroms
betrieben wird und daher fremdspannungsunabhängig ist. Die Stromstärken betragen
hierbei einige Milliampere.
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Bei
Betrieb des Niederspannungsleistungsschalters 10 kommt
es, wenn Ströme
großer
Stromstärke
fließen,
zu einer starken Wärmeentwicklung. Um
die Bauteile des Niederspannungsleistungsschalters 10 zu
kühlen,
ist ein Lüfter 44 bereitgestellt, dargestellt
ist symbolisch mit dem Buchstaben „M”, dass dieser Lüfter einen
Motor umfasst. Der Lüfter 44 wird
von einer Steuereinheit 46 angesteuert. Lüfter 44 und
Steuereinheit 46 werden durch Strom betrieben, der unmittelbar
auf das Fließen
von Strom durch die Verbindungsleitungen 20b, 24b bzw. 28b zurückzuführen ist.
Grundsätzlich
ist eine Anzapfung der Verbindungsleitung 20b, 24b, 28b möglich. Bevorzugt
wird jedoch der Strom zum Betrieb des Lüfters 44 mit seiner
Steuereinheit 46 induktiv abgegriffen, ähnlich zum induktiven Abgreifen
der zu vermessenden Ströme
durch die Induktivitäten 36, 38 bzw. 40. Hierbei
ist zu beachten, dass ein Lüfter
Ströme
im Stromstärkenbereich
von einigen Ampere benötigt, so
dass auf die Prinzipien der Bauweise von Transformatoren zurückgegriffen
werden muss. Eine entsprechende induktiv abgreifende Einheit ist
in 1 mit 48 bezeichnet.
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Dadurch,
dass die elektrische Energie für den
Betrieb des Lüfters 44 über die
Hauptleitungen, die zu überwachen
sind, bereitgestellt wird, ist ausgeschlossen, dass der Lüfter wegen
eines Netzausfalles ausfällt
und sich gleichzeitig der Niederspannungsleistungsschalter 10 weiter
erhitzt: Fällt
die Spannung für
den Lüfter
aus, so gibt es auch kein Erhitzen mehr.
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Sollte
der dargestellte Mechanismus jedoch aus anderen Gründen versagen,
so gibt es eine weitere Sicherheitsmaßnahme: Ein Temperatursensor 50 misst
die Temperatur im Niederspannungsleistungsschalter 10.
Die Temperatur, die der Temperatursensor 50 misst, wird über eine
Verbindungsleitung 52 der elektronischen Überwachungseinheit 42 mitgeteilt.
Diese ändert
bei Überschreiten
vorbestimmter Werte ihre Auslösekriterien,
z. B. einen Stromschwellwert, ab dem mittels des Auslösemagneten 34 des
Schaltschlosses 32 die Schalter 22, 26 und 30 geöffnet werden.
Dann kann es dazu kommen, das bei Überschreiten vorbestimmter
Temperaturen die Schalter 22, 26 und 30 geöffnet werden, wenn
sonst die Wärmeentwicklung
zu stark wäre, und
ein Überhitzen
des Niederspannungsleistungsschalters 10 ist somit wirksam
unterbunden.
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Durch
die Erfindung ist gewährleistet,
dass der Lüfter 44 bei
einer bestimmten Stromstärke
eingeschaltet wird, denn ab einer bestimmten Stromstärke durch
die Verbindungsleitungen 20b, 24b und 28b steht
ein ausreichender Betriebsstrom für den Lüfter 44 zur Verfügung. Die
Steuerung des Lüfters ist
nicht von externen Faktoren oder Sensoren abhängig.
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- 10
- Niederspannungsleistungsschalter
- 12a,
12b, 14a, 14b,
- Anschlüsse
- 16a,
16b
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- 20a,
20b, 24a, 24b,
- Verbindungsleitungen
- 28a,
28b, 52
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- 22,
26, 30
- Schalter
- 32
- Schaltschloss
- 34
- Auslösemagnet
- 42
- elektronische Überwachungseinheit
- 36,
38, 40
- Induktivitäten
- 44
- Lüfter
- 46
- Steuereinheit
für den
Lüfter 44
- 48
- induktiv
abgreifende Einheit
- 50
- Temperatursensor