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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreibung eines Leitungsschutzschalters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Leitungsschutzanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
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Leitungsschutzschalter dienen dazu, Leitungen und Verbraucher eines elektrischen Stromkreises im Falle eines Kurzschlusses vor übergroßem Stromfluss zu schützen. Unzulässig hohe Stromstärken können zum unkontrollierten Aufheizen einzelner Komponenten des Stromkreises, zum Durchschmelzen von Leitungsabschnitten und im Extremfall auch zu Leitungs- oder anderen Bränden führen. Dieses Problem ist besonders für elektrische Anwendungen relevant, bei denen auch im Normalfall hohe Stromstärken auftreten. Ein Beispiel hierfür ist etwa die Stromversorgung in einem Elektro-Kraftfahrzeug.
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Es ist bekannt, im Stromkreis Leitungsschutzschalter vorzusehen, die Schmelzleiter aufweisen, die im Fall einer einen definierten Grenzwert überschreitenden Stromstärke durchschmelzen, dadurch den Stromkreis unterbrechen und so einen sicheren Zustand herbeiführen. Ein Nachteil solcher Schmelzleiter beziehungsweise Schmelzsicherungen besteht darin, dass sie als thermische Bauteile im Fall mäßiger Überströme weit tolerierte Auslösezeiten aufweisen. Es ist daher erforderlich, dass alle im abgesicherten Stromkreis verwendeten Bauelemente Überlasten unterhalb der maximalen Strom-Zeit-Auslösecharakteristik überstehen. Ein Durchschmelzen eines Schmelzleiters erfordert außerdem einen anschließenden Austausch des Leitungsschutzschalters. Dies führt zu einer vorübergehenden Nichtbenutzbarkeit des elektrischen Geräts, was beispielsweise im Fall eines Kraftfahrzeugs mit erheblichen Unannehmlichkeiten für den Benutzer verbunden sein kann. Die notwendige Auswechslung des Leitungsschutzschalters ist außerdem mit Kosten verbunden.
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Es ist ebenfalls bekannt, Leitungsschutzschalter mit mechanischen Schaltelementen auszustatten, die im Fall einer übergroßen Stromstärke einen mechanischen Schaltkontakt öffnen und dadurch den Stromkreis unterbrechen. Als nachteilig hat sich erwiesen, dass derartige mechanische Schaltelemente nicht in jedem Fall zuverlässig schalten. Unter Umständen kann es zu einem Verschweißen der Schaltkontakte kommen, wodurch eine Kontakttrennung unmöglich wird. Ein solches Versagen des Leitungsschutzschalters kann katastrophale Folgen nach sich ziehen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Leitungsschutzschalters anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Leitungsschutzanordnung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Leitungsschutzanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Leitungsschutzschalters, der einen Schaltkontakt mit zwei Kontaktflächen aufweist, wird eine über den Schaltkontakt abfallende Spannung gemessen. Dabei werden die Kontaktflächen des Schaltkontakts elektrisch voneinander isoliert, falls die über dem Schaltkontakt abfallende Spannung einen festgelegten Wert für eine Dauer einer festgelegten Zeit überschreitet.
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Vorteilhafterweise kann dadurch sichergestellt werden, dass der Schaltkontakt geöffnet wird, bevor die Kontaktflächen des Schaltkontakts miteinander verschweißen und dadurch eine Trennung erschweren oder unmöglich machen.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform erfolgt die Messung der über den Schaltkontakt abfallenden Spannung kontinuierlich. Vorteilhafterweise bietet dieses Verfahren eine besonders hohe Genauigkeit.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Messung der über den Schaltkontakt abfallenden Spannung periodisch. Vorteilhafterweise wird dadurch die anfallende Datenmenge reduziert.
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Bevorzugt ist die festgelegte Zeit kleiner oder gleich 10 ms. Vorteilhafterweise haben Experimente gezeigt, dass innerhalb dieser Zeitspanne ein zuverlässiges öffnen des Schaltkontakts noch möglich ist.
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Zweckmäßigerweise ist der festgelegte Wert für die über den Schaltkontakt abfallende Spannung eine Spannung, die ein Aufschmelzen mindestens einer der Kontaktflächen bewirkt. Vorteilhafterweise kann der Schaltkontakt dann getrennt werden, bevor es zu einem Aufschmelzen und eventuellen Verschweißen der Kontaktflächen kommt.
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Eine erfindungsgemäße Leitungsschutzanordnung umfasst einen Leitungsschutzschalter mit einem Schaltkontakt mit zwei Kontaktflächen und eine Vorrichtung zum Messen einer über den Schaltkontakt abfallenden Spannung. Dabei ist die Leitungsschutzanordnung ausgebildet, die Kontaktflächen des Schaltkontakts zu trennen, falls die über den Schaltkontakt abfallende Spannung einen festgelegten Wert für eine Dauer einer festgelegten Zeit überschreitet. Vorteilhaferweise kann durch diese Leitungsschutzanordnung sichergestellt werden, dass die Kontaktflächen im Falle einer Störung sicher getrennt werden.
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Bevorzugt ist der Leitungsschutzschalter als Relais ausgebildet. Vorteilhafterweise hat sich diese Ausführung als zuverlässig zum Schalten hoher Stromstärken erwiesen. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung erster Messdaten;
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2 eine schematische Darstellung zweiter Messdaten;
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3 eine schematische Darstellung eines Leitungsschutzschalters in einer ersten Ausführungsform; und
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4 eine schematische Darstellung eines Leitungsschutzschalters in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Messung, die an einem Schaltkontakt mit zwei metallischen Kontaktflächen durchgeführt wurde. Die Kontaktflächen entsprechen dabei Kontaktflächen, wie sie in Relais und Schützen verwendet werden. Die Kontaktflächen bestehen aus Metall und werden mechanisch, beispielsweise durch ein Federelement, gegeneinander gepresst. Die Kontaktflächen befinden sich in einem Stromkreis mit einem Verbraucher und einer Spannungsquelle. Die Spannungsquelle kann einen Stromfluss in diesem Stromkreis erzeugen, wobei der Strom über die erste und die zweite Kontaktfläche fließt.
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In 1 ist auf der horizontalen Achse eine Messzeit aufgetragen. Zum Zeitpunkt t0 wird die Spannungsquelle eingeschaltet, zum Zeitpunkt t1 wird die Spannungsquelle wieder abgeschaltet. Auf der vertikalen Achse sind die Stromstärke eines im Stromkreis fließenden ersten Laststroms 410 und eine zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche abfallende erste Kontaktspannung 420 aufgetragen. Die Größe der ersten Kontaktspannung 420 hängt vom elektrischen Widerstand zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche ab.
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Zum Zeitpunkt t0 wird die Spannungsquelle des Stromkreises eingeschaltet. In der Folge steigt der erste Laststrom 410 bis auf einen Wert von ungefähr 2500 A an. Mit zunehmendem ersten Laststrom 410 steigt auch die über die Kontaktflächen abfallende erste Lastspannung 420 auf einen Wert größer 0 an. Die erste Kontaktspannung 420 steigt bis etwa 0,6 V, wodurch es jedoch noch nicht zu einem Aufschmelzen der Kontaktflächen kommt. Die in 1 dargestellte Situation entspricht somit einem Regelbetrieb des untersuchten Stromkreises und der untersuchten Kontaktflächen. Zum Zeitpunkt t1 wird die Spannungsquelle des Stromkreises abgeschaltet.
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2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Messung am selben Stromkreis wie in 1 mit denselben Kontaktflächen. Wiederum ist auf der horizontalen Achse eine Messzeit, auf der vertikalen Achse der zeitliche Verlauf eines im Stromkreis fließenden zweiten Laststroms 510 und einer über die Kontaktflächen abfallenden zweiten Kontaktspannung 520 aufgetragen. Zum Zeitpunkt t2 wird die Spannungsquelle des Stromkreises angeschaltet, wodurch der im Stromkreis fließende zweite Laststrom 510 stark ansteigt. Mit steigender Stromstärke steigt auch die über die Kontaktflächen abfallende zweite Kontaktspannung 520. Zum Zeitpunkt t3 sind der durch die Kontaktflächen fließende Strom und die über den Kontaktflächen abfallende Spannung 520 so groß, dass es zu einem Aufschmelzen der Oberflächen der Kontaktflächen kommt. Der Zeitpunkt t3 kann beispielsweise 23 ms nach dem Zeitpunkt t2 liegen.
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Im dem Zeitpunkt t3 nachfolgenden Zeitabschnitt siedet das aufgeschmolzene Material der Kontaktflächen. Dies wird durch den unregelmäßigen Verlauf der zweiten Kontaktspannung 520 zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 deutlich.
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Während das Material der Kontaktflächen siedet, steigt der im Stromkreis fließende zweite Laststrom 510 weiter an. Dies kann zum Teil darauf zurückgeführt werden, dass durch das Aufschmelzen der Oberflächen der Kontaktflächen der Kontaktwiderstand der Kontaktflächen sinkt. Gleichzeitig wird die an den Kontaktflächen durch den Kontaktwiderstand entstehende Wärme durch die Wärmeleitfähigkeit der Kontaktflächen abgeführt. Wegen des durch das Aufschmelzen der Kontaktflächen reduzierten Kontaktwiderstands nimmt die pro Zeiteinheit abfallende Wärme (die Heizleistung) gleichzeitig ab. Dadurch kann es effektiv zu einem Abkühlen der Kontaktflächen kommen. In der Folge erstarrt das aufgeschmolzene Material der Kontaktflächen zum Zeitpunkt t4 und verschweißt die Kontaktflächen miteinander. Der Zeitpunkt t4 kann beispielsweise 12 ms nach dem Zeitpunkt t3 liegen.
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Im miteinander verschweißten Zustand sind die Kontaktflächen nicht oder nur noch sehr schwer voneinander zu trennen. Falls es sich um Kontaktflächen eines Leitungsschutzschalters handelt, so wird der Leitungsschutzschalter zum Zeitpunkt t4 mit großer Wahrscheinlichkeit keine Trennung des Stromkreises mehr durchführen können.
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Durch das Verschmelzen der Kontaktflächen sinkt der Kontaktwiderstand zwischen den Kontaktflächen weiter, wodurch die zweite Kontaktspannung 520 zum Zeitpunkt t4 auf einen niedrigeren Wert zurück geht. Zum Zeitpunkt t5 wird die Spannungsquelle des Stromkreises abgeschaltet und die Messung der 2 beendet. In der zweiten Messung der 2 hat die zweite Kontaktspannung 520 einen Maximalwert von fast 1 V angenommen. Der Maximalwert des zweiten Laststroms 510 beträgt 4188 A.
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3 zeigt in schematischer Darstellung einen Leitungsschutzschalter 100, bei dessen Konstruktion die oben dargestellten Erkenntnisse berücksichtigt wurden. Der Leitungsschutzschalter 100 weist ein erstes metallisches Anschlusselement 110 und ein zweites metallisches Anschlusselement 120 auf. Die Anschlusselemente 110, 120 können mittels einer Kontaktbrücke 130 elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Zu diesem Zweck ist die Kontaktbrücke 130 mit einem Anker 140 verbunden, der mittels eines Magnetantriebs 150 zwischen zwei Position hin- und herbewegt werden kann. In der ersten Position steht die Kontaktbrücke 130 mit dem ersten Anschlusselement 110 und dem zweiten Anschlusselement 120 in elektrisch leitfähigem Kontakt und schließt die Anschlusselemente 110, 120 damit kurz. In der zweiten Position, die in 3 dargestellt ist, ist die Kontaktbrücke 130 vom ersten Anschlusselement 110 und vom zweiten Anschlusselement 120 beabstandet. In dieser Position der Kontaktbrücke 130 sind die Anschlusselemente 110, 120 also elektrisch voneinander isoliert. Der Leitungsschutzschalter 100 entspricht in seinem Aufbau soweit einem bekannten Schütz oder Relais. Das erste Anschlusselement 110, das zweite Anschlusselement 120 und die Kontaktbrücke 130 stellen jeweils Kontaktflächen im Sinne der Beschreibung der Messungen der 1 und 2 dar.
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Das erste Anschlusselement 110 und das zweite Anschlusselement 120 können über Leitungen 210 mit einem Verbraucher 200 verbunden werden, um auf diese Weise einen schaltbaren Stromkreis zu bilden. Der Verbraucher 200 kann ein beliebiger elektrischer Verbraucher, beispielsweise ein Elektromotor eines Kraftfahrzeugs, sein. Die Leitungen 210 können beispielsweise elektrisch leitende Kabel sein. Der Stromkreis weist außerdem eine Spannungsquelle auf, mittels derer ein Stromfluss im Stromkreis erzeugt werden kann, und die in 3 nicht dargestellt ist.
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Der Leitungsschutzschalter 100 weist außerdem ein Strommessgerät 310 auf, das in einer der Leitungen 210 zwischen dem ersten Anschlusselement 110 oder dem zweiten Anschlusselement 120 und dem Verbraucher 200 angeordnet ist. Das Strommessgerät 310 kann auch in den Verbraucher 200 integriert sein. Das Strommessgerät 310 dient dazu, die Stromstärke eines durch den Leitungsschutzschalter 100, den Verbraucher 200 und die Leitungen 210 gebildeten Stromkreises zu messen. Derartige Strommessgeräte sind in diversen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt.
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Der Leitungsschutzschalter 100 weist außerdem ein Spannungsmessgerät 320 auf, das mit dem ersten Anschlusselement 110 und dem zweiten Anschlusselement 120 verbunden ist, und dazu dient, eine zwischen dem ersten Anschlusselement 110 und dem zweiten Anschlusselement 120 abfallende Spannung zu messen. Derartige Spannungsmessgeräte sind ebenfalls in diversen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt.
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Weiter weist der Leitungsschutzschalter 100 eine Auswertschaltung 300 auf. Die Auswertschaltung 300 kann als analoge oder digitale Schaltung ausgebildet oder mittels eines Mikrocontrollers oder Computers realisiert sein. Die Auswertschaltung 300 ist mit dem Strommessgerät 310, dem Spannungsmessgerät 320 und dem Magnetantrieb 150 verbunden. Somit kann die Auswertschaltung 300 die im Stromkreis fließende Stromstärke vom Strommessgerät 310 und die über die Anschlusselemente 110, 120 abfallende Spannung vom Spannungsmessgerät 320 abfragen. Das Strommessgerät 310 und das Spannungsmessgerät 320 können die Messung von Stromstärke und Spannung kontinuierlich oder periodisch durchführen. Die Abfrage der vom Strommessgerät 310 und Spannungsmessgerät 320 ermittelten Werte durch die Auswertschaltung 300 kann ebenfalls kontinuierlich oder periodisch erfolgen. Über die Verbindung zum Magnetantrieb 150 kann die Auswertschaltung 300 den Anker 140 und somit die Kontaktbrücke 130 zwischen der ersten Position, in der der Stromkreis geschlossen ist, und der zweiten Position, in der der Stromkreis geöffnet ist, umschalten.
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Die Auswertschaltung 300 überwacht die vom Spannungsmessgerät 320 ermittelte Spannung zwischen den Anschlusselementen 110, 120 und die vom Strommessgerät 310 ermittelte Stromstärke im Stromkreis. Übersteigt die ermittelte Spannung oder die ermittelte Stromstärke festgelegte Grenzwerte, so beobachtet die Auswertschaltung 300, wie lange der Grenzwert überschritten ist. Zu diesem Zweck weist die Auswertschaltung 300 einen in 3 nicht dargestellten Zeitgeber auf. Dauert die Überschreitung der Grenzwerte länger als eine festgelegte Zeit, so weist die Auswertschaltung 300 den Magnetantrieb 150 an, die Kontaktbrücke 130 vom ersten Anschlusselement 110 und vom zweiten Anschlusselement 120 weg zu bewegen. Dies erfolgt so zeitig, dass noch kein Verschmelzen der Kontaktbrücke 130 mit den Anschlusselementen 110, 120 stattgefunden hat. Zweckmäßigerweise sollten die Grenzwerte für die durch das Spannungsmessgerät 320 ermittelte Spannung und für den durch das Strommessgerät 310 ermittelten Strom in Abhängigkeit von der Wahl der Kontaktkraft zwischen der Kontaktbrücke 130 und den Anschlusselementen 110, 120 und dem Material von Kontaktbrücke 130 und Anschlusselementen 110, 120 festgelegt werden. Beispielsweise wurden für Kupferkontakte und eine Kontaktkraft von ca. 15 N experimentell für die durch das Spannungsmessgerät 320 ermittelte Spannung ein Grenzwert zwischen 0,5 und 0,7 V und für den durch das Strommessgerät 310 ermittelten Strom ein Grenzwert zwischen 3000 A und 5000 A ermittelt. Die maximal zulässige Zeit für eine Grenzwertüberschreitung liegt dabei zwischen 5 und 20 ms.
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In einer vereinfachten Ausführungsform des Leitungsschutzschalters 100 kann entweder das Strommessgerät 310 oder das Spannungsmessgerät 320 entfallen. Die Beobachtung des im Stromkreis fließenden Stroms oder der über die Anschlusselemente 110, 120 abfallenden Spannung reicht zur Diagnose eines Störfalles aus.
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Der Leitungsschutzschalter 100 der 3 weist mit den Anschlusselementen 110, 120 und der Kontaktbrücke 130 insgesamt drei Kontaktflächen auf. 4 zeigt in schematischer Darstellung einen vereinfachten Leitungsschutzschalter 1100 gemäß einer zweiten Ausführungsform, bei dem lediglich zwei Kontaktflächen vorhanden sind.
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Der Leitungsschutzschalter 1100 weist eine erste Kontaktfläche 1110 und eine zweite Kontaktfläche 1120 auf. Die zweite Kontaktfläche 1120 kann durch einen Magnetantrieb 1150 mit der ersten Kontaktfläche 1110 in Kontakt gebracht, oder von der ersten Kontaktfläche 1110 getrennt werden.
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Die erste Kontaktfläche 1110 und die zweite Kontaktfläche 1120 sind über elektrische Leitungen 1210 mit einem Verbraucher 1200 und einer nicht dargestellten Spannungsquelle in einem Stromkreis angeordnet. Ein Strommessgerät 1310 dient zur Messung einer im Stromkreis fließenden Stromstärke. Ein Spannungsmessgerät 1320 dient zur Messung einer zwischen der ersten Kontaktfläche 1110 und der zweiten Kontaktfläche 1120 abfallenden Spannung.
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Das Strommessgerät 1310, das Spannungsmessgerät 1320 und der Magnetantrieb 1150 sind mit einer Auswertschaltung 1300 verbunden. Überschreitet die durch das Strommessgerät 1310 ermittelte Stromstärke im Stromkreis oder die durch das Spannungsmessgerät 1320 ermittelte Spannung zwischen den Kontaktflächen 1110, 1120 einen festgelegten Wert für eine festgelegte Zeit, so weist die Auswertschaltung den Magnetantrieb 1150 an, die Kontaktflächen 1110, 1120 voneinander zu trennen.
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In einer vereinfachten Ausführungsform des Leitungsschutzschalters 1100 kann wieder entweder das Strommessgerät 1310 oder das Spannungsmessgerät 1320 entfallen. Die Beobachtung des im Stromkreis fließenden Stroms oder der über die Kontaktflächen 1110, 1120 abfallenden Spannung reicht zur Diagnose eines Störfalles aus.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Leitungsschutzschalter
- 110
- erstes Anschlusselement
- 120
- zweites Anschlusselement
- 130
- Kontaktbrücke
- 140
- Anker
- 150
- Magnetantrieb
- 200
- Verbraucher
- 210
- Leitung
- 300
- Auswertschaltung
- 310
- Strommessgerät
- 320
- Spannungsmessgerät
- 410
- erster Laststrom
- 420
- erste Kontaktspannung
- 510
- zweiter Laststrom
- 520
- zweite Kontaktspannung
- 1100
- Leitungsschutzschalter
- 1110
- erste Kontaktfläche
- 1120
- zweite Kontaktfläche
- 1150
- Magnetantrieb
- 1200
- Verbraucher
- 1210
- Leitung
- 1300
- Auswertschaltung
- 1310
- Strommessgerät
- 1320
- Spannungsmessgerät
