DE102009040692B4

DE102009040692B4 - Leistungsschalter

Info

Publication number: DE102009040692B4
Application number: DE102009040692.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Krauss; Aron-Ernst Musiol
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2029-09-05
Also published as: DE102009040692A1; US8446702B2; CN102013661B; US20110058300A1; CN102013661A

Abstract

Leistungsschalter (S) zur Energieverteilung der die durch den Leistungsschalter (S) fließenden elektrischen Ströme eines mehrphasigen elektrischen Stromnetzes bei Eintreten eines Auslösefalls selbsttätig unterbricht,
mit für jede Phase (L) vorgesehenen Schaltkontakten (K1, K2), die über eine Schaltwelle (W) geöffnet werden können,
mit einem elektronischen Auslöser (ETU), der das Öffnen der Schaltkontakte (K1, K2) über die Schaltwelle (W) selbsttätig auslöst,
mit elektrischen Energiewandlern (4), welche den Strömen der einzelnen Phasen (L) jeweils die für die elektrische Energieversorgung des Auslösers (ETU) erforderliche elektrische Energie nach Art eines Transformators mittels einer ersten Sekundärspule entnehmen, wobei die zugehörige Leitung (1) die Primärspule bildet,
mit Messwandlern (6), welche die Ströme der einzelnen Phasen (L) jeweils nach Art eines Transformators mittels einer zweiten Sekundärspule übertragen und in ein Messsignal umwandeln, wobei die zugehörige Leitung (1) ebenfalls die Primärspule bildet,
mit einer elektronischen Schaltung (2), in Form eines Mikroprozessors (MP), zur Bewertung der den Messsignalen entsprechenden Stromwerte, wobei das Eintreten des Auslösefalls jeweils anhand der Bewertung erkannt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die von den Energiewandlern (4) abgegebenen Ströme und/oder Spannungen zusätzlich erfasst werden und
dass die elektronischen Schaltung (2) anhand der erfassten Ströme und/oder Spannungen der Energiewandler (4) und der Messwandler (6) einen Plausibilitätsvergleich durchführt und bei Nicht-Plausibilität ein Warn- oder Auslösesignal (WS) generiert, wobei eine Nicht-Plausibilität vorliegt,
- wenn der Messwandler (6) einer Phase einen Strom anzeigt und für den Energiewandler (4) dieser Phase kein Strom und/oder keine Spannung erfasst wird,
- wenn der Messwandler (6) einer Phase keinen Strom anzeigt, aber der Energiewandler (4) dieser Phase einen Strom und/oder eine Spannung abgibt, und/oder
- wenn der Auslöser (ETU) mit Strom versorgt, also aktiviert ist, und für den Energiewandler (4) zumindest für eine Phase kein Strom und/oder keine Spannung erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter zur Energieverteilung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Schalter zur Energieverteilung, insbesondere für Niederspannungen, sind als Leistungsschalter, Kompaktschalter, usw. allgemein bekannt und dienen in ihrer Funktion als Schutzschalter zur selbsttätigen Unterbrechung der durch den Schalter fließenden Ströme. Meist ist der Schalter für die drei Phasen eines dreiphasigen Stromnetzes ausgelegt, wobei häufig auch der Strom der Neutralphase (des Nulleiters) durch den Schalter fließt. Bei Normalbetrieb fließen die Ströme jeder Phase jeweils über aneinander anliegende Schaltkontakte, die zur Stromunterbrechung mittels einer Schaltwelle gleichzeitig geöffnet werden können. Die bekannten Schalter verfügen weiter über einen elektronischen Auslöser (z.B. einen Überstromauslöser), der unter vorgegebenen (Auslöse-) Bedingungen (Auslösefall: z.B. Überstrom) für das Öffnen der Schaltkontakte sorgt. Bei Eigenstromversorgung wird die elektrische Energie für den Auslöser mittels elektrischer Energiewandler (meist Eisenkernwandler) den zu überwachenden Phasenströmen entnommen, und zwar über die Magnetfelder nach dem Transformator-Prinzip. Zur Erfassung der einzelnen Phasenströme, d.h. für die eigentliche Stromerfassung/-messung, dienen Stromsensoren in Form von Messwandlern, die meist eine Luftspule (Rogowski-Wandler) verwenden, welche das Magnetfeld des zugehörigen Phasenleiters in ein Messsignal umwandeln, das dem Strom differenziert nach der Zeit proportional ist. Zur Bewertung der Messsignale verfügt der Auslöser über eine elektronische Schaltung, die meist mittels Mikroprozessor ausgeführt ist. Der Auslöser hat die Aufgabe, das Eintreten eines Auslösefalls zu erkennen und alle Stromflüsse mittels der Schaltwelle zu unterbrechen. Heute werden in Schaltern meist sogenannte Kombiwandler eingesetzt, d.h. für jede zu überwachende Phase ist ein Energiewandler als auch ein Messwandler vorhanden. Solche Schalter sind beispielsweise in der EP 0 288 998 A2 oder WO 98/16 839 A1 beschrieben.
Zudem beschreibt die DE 602 00 500 T2 einen elektronischen Auslöser mit Strommessmitteln, die an eine elektronische Verarbeitungschaltung zur Gewährleistung von Schutzfunktionen und zum Vergleich des gemessenen Stroms mit mindestens einem Auslöseschwellwert angeschlossen sind. Dabei kann der Auslöser an eine Stromversorgungschaltung angeschlossen sein. Bei Auslösern mit Eigenstromversorgung kann die Stromversorgungschaltung durch einen Strommesswandler gespeist werden.
Ferner beschreibt die DE 197 21 591 A1 einen strombegrenzenden Schalter, welcher einen Stromsensor und einen induktiven Stromwandler aufweist. Dabei kann der Stromsensor Teil eines Strom-Spannungswandlers mit einer vorzugsweise als Rogowskispule ausgebildeten Sekundärwicklung sein.
Des Weiteren beschreibt die EP 0 179 262 A1 ein Fehlerschutzverfahren, bei welchem mindestens ein erster Messwert einer Messgröße erfasst wird und mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen wird. In Abhängigkeit von einer Grenzwertüberschreitung wird ein Fehlersignal und/oder ein Abschaltsignal erzeugt. Dabei ist es ferner vorgesehen, dass mindestens ein Vergleichsmesswert derselben Messgröße redundant und mindestens in vorgebbaren Zeitabschnitten erfasst wird. Dabei wird das Fehlersignal und/oder das Abschaltsignal dann erzeugt, wenn dieser mindestens eine erste Messwert von diesem mindestens einen Vergleichsmesswert um mehr als einen vorgebbaren ersten Grenzwert abweicht.
Nachteilig ist bei den bekannten Schaltern, dass die Messwandler defekt sein können und dadurch ein Auslösefall nicht erkannt wird. Die Ursachen dafür können Drahtbrüche in den Zuführungsleitungen zwischen Messwandler und Auslöser als auch Windungsschlüsse der Spulenwicklungen sein. Insbesondere Windungsschlüsse führen nicht gleich zu einem Totalausfall, sondern zu fehlerhaften Messsignalen. Dabei ist es relativ aufwendig, die Schalter im laufenden Betrieb zu prüfen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionssicherheit des Schalters zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
Die Lösung sieht vor, dass die von den Energiewandlern abgegebenen Ströme und/oder Spannungen zusätzlich erfasst werden und dass die elektronische Schaltung anhand der erfassten Ströme der Energiewandler und der Messwandler einen Plausibilitätsvergleich durchführt und bei Nicht-Plausibilität ein Warn- oder Auslösesignal generiert. Die Lösung besteht also darin, durch eine technisch relativ einfach durchzuführende und kostengünstige Messung der Energiewandlerströme und/oder -spannungen und Plausibilitätsbetrachtungen im Zusammenhang mit den Stromwerten der Messwandler Fehler in den Kombiwandlern zu erkennen. In diese Fehlererkennung ist auch die Verdrahtung zwischen den Kombiwandlern und Teilen der Elektronik des elektronischen Auslösers eingeschlossen. Der Anwender wird dann z.B. durch Auslösen eines Warnsignals informiert.
Eine Nicht-Plausibilität liegt insbesondere (bei einem nicht fremdversorgten Auslöser, wenn also keine externe elektrische Energie eingespeist wird (z.B. 24V DC), der Auslöser aktiv ist und kein Strom von den Energiewandlern gemessen wird) vor,

- wenn der Messwandler einer Phase einen Strom anzeigt und für den Energiewandler dieser Phase kein Strom und/oder Spannungen erfasst wird,
- wenn der Messwandler einer Phase keinen Strom anzeigt, aber der Energiewandler dieser Phase einen Strom und/oder Spannung abgibt, und/oder
- wenn der Auslöser mit Strom versorgt, also aktiviert ist, und für die Energiewandler zumindest für keine Phase ein Strom und/oder Spannung erfasst wird.

Im einfachsten Falle gibt der Auslöser bei Vorliegen des Warnsignals eine Warnmeldung an den Anwender ab.
Speziell zum Schutz der angeschlossenen Verbraucher kann der Auslöser bei Vorliegen eines Warnsignals die durch den Schalter fließenden Ströme sofort unterbrechen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters mit Kombiwandler und
2 ein Ablaufschema für die Plausibilitätsvergleiche des Leistungsschalters gemäß 1.

1 zeigt einen Schalter S zur Energieverteilung in Form eines Leistungsschalters mit Schaltkontakten K1, K2, der in eine Stromleitung 1 (Phase L1) eines elektrischen Stromnetzes geschaltet ist. Der Schalter S ist in 1 in geöffnetem Zustand gezeigt, d. h. seine Schaltkontakte K1, K2 sind voneinander getrennt und der Stromfluss durch den Schalter S ist unterbrochen. Entsprechend fließt bei geschlossenem Schalter S der Strom durch die Stromleitung L1 durch den Schalter S. Bei dem elektrischen Stromnetz handelt es sich hier um ein dreiphasiges Stromnetz (drei Phasen L), wobei in 1 nur die Phase L1 gezeigt ist. Zusätzlich wird auch der Strom der Nullphase ebenfalls über entsprechend vorgesehene Schaltkontakte K1, K2 durch den Schalter S geführt. Die Schaltkontakte K1, K2 aller Phasen können mittels einer gemeinsamen Schaltwelle W geöffnet werden, die in 1 durch die gestrichelte Linie schematisch dargestellt ist. Zum Schalter gehört ein Auslöser ETU, der als Überstromauslöser ausgebildet ist und dessen elektronische Schaltung 2 z.B. einen Mikroprozessor MP aufweist.
Die Versorgung der Schaltung 2 mit elektrischer Energie (Stromversorgung) erfolgt über einen elektrischen Energiewandler 4, der den Strom nach Art eines Transformators aus der Leitung 1 auskoppelt, die dabei die Funktion der Primärspule übernimmt. Die Spule des Energiewandlers 4 (Eisenkernwandler) ist an eine Stromversorgungsschaltung 5 angeschlossen, welche aus der entnommenen Energie einen entsprechenden Gleichstrom erzeugt.
Die Schaltung 2 erhält über einen Messwandler 6 ein dem Strom der Phase L1 entsprechendes Messsignal. Der Messwandler 6 ist als Luftspule (Rogowski-Wandler) ausgeführt, die als Messsignal eine Spannung erzeugt, die dem Strom differenziert nach der Zeit proportional ist. Die Schaltung 2 ist so ausgebildet, dass der vom Energiewandler 4 abgegebene Strom (z.B. der in die elektronische Schaltung 2 fließende Strom) ebenfalls erfasst wird. Alternativ kann selbstverständlich auch die Spannung des Energiewandlers 4 am Eingang der Schaltung 2 ermittelt werden.
Für jede zu überwachende Phase sind - als Kombiwandler KW ausgeführt - je ein Energiewandler 4 und je ein Messwandler 6 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Im Auslösefall, d.h. wenn die Schaltung 2 anhand von vorgegebenen Stromgrenzwerten oder Stromverläufen den Schalter S öffnet, sorgt sie für einen entsprechenden Strom durch einen nicht gezeigten Elektromagneten, der seinerseits die Schaltwelle W betätigt.
Eine Anzeige LCD/LED zeigt bei Bedarf die gewünschten Schalterinformationen an. Die Kommunikation mit anderen Einrichtungen ist über einen entsprechenden Bus KB möglich.
Die elektronische Schaltung 2 führt anhand des vom Energiewandler 4 abgegebenen Stroms einen Plausibilitätsvergleich (Selbsttest) anhand der Messsignale des Messwandlers 6 und des ermittelten Stroms und/oder der ermittelten Spannung des Energiewandlers 4 durch. Bei Nicht-Plausibilität wird ein entsprechendes Warnsignal generiert und/oder der Schalter S ausgelöst.
2 zeigt das Ablaufschema des Plausibilitätsvergleichs beispielhaft für die Phase L1, d.h. eine der drei Phasen L. Der Plausibilitätsvergleich wird dabei für alle drei Phasen L einschließlich der Neutralphase entsprechend durchgeführt.
Zunächst wird die elektronische Schaltung 2 aktiviert, d. h. der Mikroprozessor MP eingeschaltet.
Anschließend erfolgt eine kontinuierliche Überprüfung KU der Ströme des Energiewandlers 4 und der Signale des Messwandlers 6. Dabei wird für jede Phase einzeln überprüft, ob ein Energiestromfluss ESF vorliegt. Wenn ja, wird geprüft, ob ein Messwert des Messwandlers 6 vorhanden ist (Abfrage MM). Ist dies der Fall (Pfad j), so ist der Kombiwandler KW (sind Messwandler 6 und/oder Energiewandler 4) plausibilitätsmäßig in Ordnung und die nächste Phase der Überprüfung wird durchgeführt. Liegt kein Messwert vor, so ist der Kombiwandler KW plausibilitätsmäßig defekt und es wird ein entsprechendes Warn- oder Auslösesignal WS generiert, welches z.B. auf der Anzeige LCD entsprechend als Warnmeldung angezeigt wird. Danach wird die Überprüfung wiederholt, d.h. es geht zurück zur kontinuierliche Überprüfung KU.
Liegt kein Energiestromfluss ESF vor (Pfad n), wird geprüft (Abfrage MM), ob ein Messwert des Messwandlers 6 vorliegt. Ist dies der Fall, dann ist der Energiewandler 4 oder der Messwandler 6 defekt (MWD) und es wird auch hier ein entsprechendes Warn- oder Auslösesignal WS generiert. Zeigt der Messwandler 6 ebenfalls keinen Stromfluss an (KSL), so wird die gesamte Überprüfung (zurück zu KU) wiederholt (über NPL, d.h. für den nächsten Prüfschritt, also nach L1 für L2 usw.).
Das Warn- oder Auslösesignal WS kann selbstverständlich auch eine genauere Überprüfung und/oder eine Reparatur des Kombiwandlers KW auslösen.
Eine Nicht-Plausibilität liegt hier also insbesondere in den folgenden drei Fällen vor:

- wenn der Messwandler 6 einer Phase (z.B. L1) einen Strom anzeigt und für den Energiewandler 4 dieser Phase kein Strom und/oder keine Spannung erfasst wird,
- wenn der Messwandler 6 einer Phase (z.B. L1) keinen Strom anzeigt, aber der Energiewandler 4 dieser Phase einen Strom und/oder eine Spannung abgibt, und/oder
- wenn der Auslöser ETU mit Strom versorgt, also aktiviert ist, und für den Energiewandler 4 zumindest für eine Phase kein Strom und/oder keine Spannung erfasst wird.

Der beschriebene Plausibilitätsvergleich für den Schalter S ermöglicht es, einfache Fehler eines Kombiwandlers KW relativ kostengünstig und sicher im laufenden Betrieb selbsttätig zu erkennen.

Claims

Leistungsschalter (S) zur Energieverteilung der die durch den Leistungsschalter (S) fließenden elektrischen Ströme eines mehrphasigen elektrischen Stromnetzes bei Eintreten eines Auslösefalls selbsttätig unterbricht, mit für jede Phase (L) vorgesehenen Schaltkontakten (K1, K2), die über eine Schaltwelle (W) geöffnet werden können, mit einem elektronischen Auslöser (ETU), der das Öffnen der Schaltkontakte (K1, K2) über die Schaltwelle (W) selbsttätig auslöst, mit elektrischen Energiewandlern (4), welche den Strömen der einzelnen Phasen (L) jeweils die für die elektrische Energieversorgung des Auslösers (ETU) erforderliche elektrische Energie nach Art eines Transformators mittels einer ersten Sekundärspule entnehmen, wobei die zugehörige Leitung (1) die Primärspule bildet, mit Messwandlern (6), welche die Ströme der einzelnen Phasen (L) jeweils nach Art eines Transformators mittels einer zweiten Sekundärspule übertragen und in ein Messsignal umwandeln, wobei die zugehörige Leitung (1) ebenfalls die Primärspule bildet, mit einer elektronischen Schaltung (2), in Form eines Mikroprozessors (MP), zur Bewertung der den Messsignalen entsprechenden Stromwerte, wobei das Eintreten des Auslösefalls jeweils anhand der Bewertung erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Energiewandlern (4) abgegebenen Ströme und/oder Spannungen zusätzlich erfasst werden und dass die elektronischen Schaltung (2) anhand der erfassten Ströme und/oder Spannungen der Energiewandler (4) und der Messwandler (6) einen Plausibilitätsvergleich durchführt und bei Nicht-Plausibilität ein Warn- oder Auslösesignal (WS) generiert, wobei eine Nicht-Plausibilität vorliegt, - wenn der Messwandler (6) einer Phase einen Strom anzeigt und für den Energiewandler (4) dieser Phase kein Strom und/oder keine Spannung erfasst wird, - wenn der Messwandler (6) einer Phase keinen Strom anzeigt, aber der Energiewandler (4) dieser Phase einen Strom und/oder eine Spannung abgibt, und/oder - wenn der Auslöser (ETU) mit Strom versorgt, also aktiviert ist, und für den Energiewandler (4) zumindest für eine Phase kein Strom und/oder keine Spannung erfasst wird.
Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöser (ETU) bei Vorliegen eines Warnsignals (WS) eine Warnmeldung abgibt.
Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöser (ETU) bei Vorliegen eines Auslösesignals (WS) die durch den Leistungsschalter (6) fließenden Ströme unterbricht.