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Die Erfindung betrifft ein Strommessverfahren für ein Schaltgerät, insbesondere Leistungsschalter oder Motorschutzschalter, für Niederspannung und Wechselstrom mit parallel geschalteten Strombahnen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Es sind Ausführungen von Schaltgeräten, z. B. Leistungsschaltern, bekannt, bei denen Strombahnen zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit parallel geschaltet sind. Auch sind Ausführungen vierpoliger Schaltgeräte bekannt, bei denen jeweils nur die beiden ren Strombahnen parallel geschaltet werden, um den Nennstrom zu erhöhen. Wenn diese Schaltgeräte mit Überstromauslösern, insbesondere mit elektronischen Überstromauslösern ausgeführt sind, muss das Messsignal sowohl der beiden äußeren Strombahnen als auch das der beiden parallel geschalteten inneren Strombahnen erfasst und mit ausreichender Genauigkeit verarbeitet werden.
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Üblicherweise wird die Messung der Überströme durch transformatorische Stromwandler mit Eisenkernen durchgeführt. Alternativ werden auch Rogowski-Spulen zur Messung eingesetzt. Weiterhin ist es erforderlich, die Messung der Stromsignale in allen Schalterpolen des Gerätes separat zu erfassen. Hierbei fließt in den beiden parallel geschalteten Strombahnen des mittleren Schalterpols theoretisch jeweils der halbe Strom der äußeren Schalterpole. Zur Messung werden üblicherweise entweder die Stromwandler der beiden parallel geschalteten Strombahnen mit einem anderen Übersetzungsverhältnis als die der äußeren Strombahnen ausgeführt sowie in Reihe geschaltet, oder sie werden bei gleichem Übersetzungsverhältnis parallel betrieben. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit besteht in einer separaten Ausführung der analogen Aufbereitung der Stromsignale, indem die Messanordnung, bestehend aus einem Messwiderstand und gegebenenfalls einem Messverstarker, des mittleren Schalterpols gegenüber den Messanordnungen der äußeren Pole anders bemessen sind.
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Die Stromwandler weisen üblicherweise eine gewisse nichtlineare Übertragungscharakteristik in Abhängigkeit vom Primärstrom auf, die in der Auslöseelektronik entsprechend kompensiert wird. Wird das Schaltgerät wie oben beschrieben symmetrisch mit Strom belastet, so teilt sich der Nennstrom annähernd zu halben Teilen auf die beiden mittleren Strombahnen und jeweils zu ganzen Teilen auf die äußeren Strombahnen auf. Hierbei wird die Nichtlinearität der Stromwandler in der Auswerteelektronik ausreichend kompensiert. Erfolgt jedoch, wie in der Realität nicht selten, eine unsymmetrische Belastung der Strombahnen oder sind die Bahnwiderstände der Strombahnen unterschiedlich, so ist die Aufteilung der Ströme in den parallel geschalteten Strombahnen des Schaltgeräts nicht mehr gleich. Aufgrund der unterschiedlichen Arbeitspunkte auf der Übertragungskennlinie der beiden Stromwandler kommt es dabei in Abhängigkeit des primär fließenden Teilstromes zu einer Erhöhung der Gesamttoleranz des Wandlerpaares. Dies hat eine falsche Erfassung der Ströme und damit unerwünscht eine größere Auslösetoleranz des Überstromauslösers, d. h. die Gefahr einer zu frühen oder zu späten Auslösung, zur Folge.
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Aus der Druckschrift
DE 1 950 319 A ist ein Leistungsschalter für Niederspannung und Wechselstrom mit einer geraden Anzahl parallel geschalteter und gleichsinnig durchflossener Strombahnen, die je eine Schaltstelle und Stromschienen enthalten, bekannt. Zur Stabilisierung der Stromverteilung in den parallel geschalteten Strombahnen sind innerhalb des Leistungsschalters jeweils zwei Stromschienen auf einen Teil ihrer Länge mit entgegengesetzten Stromrichtungen parallel zueinander angeordnet. Diese parallel liegenden Stromschienenabschnitte sind von einem Eisenkern umschlossen. Die Schaltstellen sind nebeneinander angeordnet, und die Stromschienen sind anschließend an die Schaltstellen symmetrisch über Kreuz geführt und liegen im weiteren Verlauf übereinander. Der Nachteil dieser Anordnung besteht in dem volumen- und materialaufwändigem Aufbau. Außerdem ist das Problem der erhöhten Auslösetoleranz bei unsymmetrischen Polströmen weiterhin ungelöst.
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Druckschrift
DD 144 192 A1 beschreibt eine Strommesseinrichtung für elektronische Auslöser zur Erfassung von Über- und Kurzschlussströmen in Leistungsschaltern mit zwei oder mehr parallel geschalteten Strombahnen pro Schalterpol. Rogowski-Spulen umfassen geometrisch jeweils die einem Schalterpol zugeordneten parallel geschalteten Strombahnen und sind elektrisch mit Integratoren verbunden, deren Ausgänge über eine Oder-Verknüpfung den elektronischen Auslöser beaufschlagen. Auch mit dieser Einrichtung wird das Problem der erhöhten Auslösetoleranz bei unsymmetrischen Polströmen nicht gelöst.
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Aus der
DE 10 2007 041 176 A1 ist ein Niederspannungs-Leistungsschalter mit einer Auslöseelektronik bekannt. Ein in dem zu unterbrechenden Stromkreis fließender Strom wird dort als Primärstrom einem Stromwandler zugeführt, der auf seiner Sekundärseite einen Sekundärstrom erzeugt. Der Sekundärstrom wird einem Analog-Digitalwandler zugeführt. Die so erhaltenen digitalen Werte werden einem Mikrocontroller zugeführt, der eine Korrektur dieser Werte zur Kompensation der Stromwandlung durchführt. Die Problematik der parallel geschalteten Strombahnen wird hierbei nicht thematisiert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vermeidung der größeren Auslösetoleranz bei unsymmetrischer Belastung des Schaltgerätes aufzuzeigen.
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Ausgehend von einem Strommessverfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
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Erfindungsgemäß wird in einem Verfahrensschritt aus den ermittelten digitalen Messwerten der jeweils zu einem Schaltpol parallel geschalteten Strombahnen nicht nur der Summenwert, sondern auch wenigstens ein Differenzwert gebildet. Bei zwei parallel geschalteten Strombahnen ergibt sich lediglich ein Differenzwert. Bei z. B. drei parallel geschalteten Strombahnen sind dies drei Differenzwerte und bei vier parallel geschalteten Strombahnen sechs Differenzwerte. Bei der im anschließenden Verfahrensschritt durchzuführenden Korrektur des Summenwertes zur Kompensation der mit der Stromwandlung verbundenen Nichtlinearität wird nun mindestens ein (bei zwei parallel geschalteten Strombahnen also genau ein) Differenzwert betragsmäßig als weiterer Parameter berücksichtigt. Damit besteht bei der Kompensation der nichtlinearen Charakteristik der Stromwandler ein mit der unsymmetrischen Verteilung der Ströme in den parallel geschalteten Strombahnen verbundener funktionaler Zusammenhang. In der Regel beeinflusst der Differenzwert das Ergebnis der Korrektur umso stärker, je größer sein Betrag ist. Die mit dem vorgeschlagenen Verfahren ermittelten und korrigierten Stromwerte stehen zur weiteren Auswertung, insbesondere für eine Überstromauslösung, zur Verfügung.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren werden bei unsymmetrischer Belastung der Strombahnen die Auslösetoleranzen auf ein zulässiges Maß begrenzt. In der Praxis werden die Korrekturfunktionen sowohl für einzeln belassene Strombahnen als auch für die parallel verbundenen Strombahnen vom Gerätehersteller für jeden einsetzbaren Stromwandlertyp messtechnisch erfasst und softwaremäßig als Formelprogramm oder Wertetabelle im Elektronikteil des Auslösers gespeichert.
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Bei mehr als zwei parallel geschalteten Strombahnen ist es für nicht wenige Anwendungsfälle durchaus ausreichend, wenn bei der Korrekturwertbildung lediglich der größte Differenzbetragswert als Parameter berücksichtigt wird.
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Wird das erfindungsgemäße Strommessverfahren auf ein vierpoliges Schaltgerät angewendet, dann ist es vorteilhaft, dessen beide mittlere Strombahnen parallel und die beiden äußeren Strombahnen einzeln zu betreiben. Auf diese Weise stehen drei Schaltpole mit optimaler Nennstromtragfähigkeit zur Verfügung.
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Sind parallel geschaltete Strombahnen auf mehrere Schaltgeräte verteilt, dann wird die verfahrensgemäße digitale Verarbeitung und die weitere Auswertung der ermittelten Stromwerte von der Auslöseelektronik lediglich eines dieser Schaltgeräte durchgeführt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen
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1: die schematische Darstellung eines vierpoligen Schaltgerätes mit zwei parallel geschalteten Strombahnen;
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2: eine weitere schematische Darstellung des Schaltgerätes nach 1 zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3: ein Funktionsdiagramm als Detail aus 2.
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1 zeigt als Schaltgerät einen vierpoligen Leistungsschalter mit vier Strombahnen L1, L21, L22 und L3, die mit jeweils einem Schaltkontakt 1, 2, 3 bzw. 4 verbunden sind. Im Gegensatz zu den beiden äußeren Strombahnen L1 und L3 sind die die beiden inneren Strombahnen L21 und L22 parallel geschaltet. Somit wird der Phasenstrom der mittleren Stromphase in zwei Bahnströme i21 und i22 aufgeteilt. Die beiden äußeren Phasenströme werden nicht aufgeteilt und sind somit gleich den Bahnströmen i1 bzw. i3. Mit dieser Maßnahme wird die Nennstromtragfähigkeit des Schaltgerätes insgesamt erhöht. Das Schaltgerät ist mit eine Auslösevorrichtung 5, die eine Auslöseelektronik 7 (siehe 2) enthält, ausgestattet. Die bei geschlossenen Schaltkontakten 1 bis 4 fließenden Bahnströme i1, i21, i22 und i3 werden von der Auslösevorrichtung 5 erfasst. Im Kurzschlussfall bewirkt die Auslösevorrichtung 5 ohne nennenswerte Verzögerung über einen Betätigungsmechanismus 6 das Öffnen der Kontakte 1 bis 4 und damit die Unterbrechung des Stromflusses. Beim Auftreten von Überströmen, d. h. den jeweiligen Nennstrom des Schaltgerätes überschreitenden Bahnströmen i1 oder/und i21 oder/und i22 oder/und i3, bewirkt die Auslösevorrichtung 5 über den Betätigungsmechanismus 6 das Öffnen der Kontakte 1 bis 4 mit einer von der Höhe des Überstromes bzw. der Überströme abhängigen Verzögerungszeit. Der letztgenannte Fall wird als Überstromauslösung bezeichnet.
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Durch unterschiedliche Ursachen, insbesondere durch ungleiche Bahnwiderstände in den beiden parallel geschalteten Strombahnen L21 und L22 oder durch Unsymmetrien zwischen den Phasenströmen, verteilen sich die mittleren Bahnströme i21 und i22 nicht mehr zu gleichen Teilen. Um auch bei diesen in der Realität nicht selten auftretenden Fällen einer ungleichen Aufteilung der Bahnströme i21 und i22 möglichst genau die Auslösebedingungen zu gewährleisten, wird auf die Schaltgeräteanordnung von 1 das erfindungsgemäße Strommessverfahren angewendet, das nachfolgend mit Hilfe von 2 beschrieben wird.
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In einem ersten Verfahrensschritt werden in bekannter Weise die durch die einzelnen Strombahnen L1, L21, L22 und L3 fließenden Bahnströme i1, i21, i22 und i3 durch transformatorische Stromwandler W1, W21, W22 und W3 primärseitig erfasst und sekundärseitig als Sekundärströme i1', i21', i22' und i3' zur Verfügung gestellt. Das Apostroph am Ende der Bezugszeichen soll im Folgenden darauf hindeuten, dass die betreffenden physikalischen Größen oder Werte von den tatsächlichen Größen bzw. Werten abweichen. Diese Abweichung ist durch die nichtlineare Übertragungscharakteristik N der Stromwandler W1, W21, W22 und W3 verursacht, die insbesondere durch Sättigung des magnetischen Materials hervorgerufen wird. Die Sekundärströme i1', i21', i22' und i3' werden der Auslöseelektronik 7 zugeführt, und im folgenden Verfahrensschritt werden daraus mittels Messanordnungen 8 spannungsförmige Messsignale u1', u21', u22' und u3' erzeugt. Die Messanordnungen 8 bestehen üblicherweise jeweils aus einem Messverstärker und einem Messwiderstand.
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Die analogen Messsignale u1', u21', u22' und u3' werden einem Mikrocontroller μC innerhalb der Auslöseelektronik 7 zugeführt und im nächsten Verfahrensschritt in digitale Messwerte I1', I21', I22' und I3' umgewandelt. Die Analog-Digital-Wandlung 9 kann hardware- oder softwaremäßig realisiert sein. Die digitalen Messwerte I1', I21', I22' und I3' entsprechen nicht mit ausreichender Genauigkeit den Bahnströmen i1, i21, i22 und i3 in den Strombahnen L1, L21, L22 bzw. L3, da sie ihrer Entstehung nach der nichtlineare Übertragungscharakteristik N der Stromwandler W1, W21, W22 und W3 unterworfen sind.
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Die digitalen Messwerte I1' und I3' für die beiden äußeren Schalterpole, deren Strombahnen L1 bzw. L3 nicht mit anderen Strombahnen parallel geschaltet sind, werden nachfolgend mittels Verarbeitung durch eine Kompensation Kn, welche die mit der transformatorischen Stromwandlung verbundenen Nichtlinearität N korrigiert, numerisch in erste Korrekturwerte I1 und I3 umgebildet. Die Kompensation Kn ist softwaremäßig als Tabelle oder Formelprogramm im Mikrocontroller μC abgelegt. Die ersten Korrekturwerte I1 und I3 entsprechen mit hinreichender Genauigkeit den Bahnströmen i1 und i3 und stehen nun als ermittelte Stromwerte der Auslöseelektronik 7 für die weitere Auswertung zur Verfügung.
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Der vorstehend beschriebene Verfahrensschritt zur Gewinnung der ersten Korrekturwerte I1 und I3 würde angewandt auf die den parallel geschalteten Strombahnen L21 und L22 zugeordneten digitalen Messwerte I21' und I22' zu nicht hinnehmbaren Toleranzabweichungen führen. Daher werden erfindungsgemäß aus den beiden digitalen Messwerten I21' und I22' in einem anschließenden Verfahrensschritt zunächst der Summenwert I21' + I22' und der Differenzbetragswert |I21' – I22'| gebildet. Die Summenbildung 10 sowie die Differenzbetragsbildung 11 sind ebenfalls durch Software realisiert. In einem abschließenden Verfahrensschritt wird der Summenwert I21' + I22' mittels Verarbeitung durch eine Kompensation Kp, welche die besagte Nichtlinearität N unter Berücksichtigung des Differenzbetragswertes |I21' – I22'| korrigiert, numerisch in einen zweiten Korrekturwert I2 umgebildet. Die von den zwei Eingangswerten Summenwert I21' + I22' sowie Differenzbetragswert |I21' – I22'| abhängige Kompensation Kp ist ebenfalls als Tabelle oder Formelprogramm im Mikrocontroller μC abgelegt. Der zweite Korrekturwert I2 entspricht nun auch bei ungleicher Aufteilung der Bahnströme i21 und i22 mit hinreichender Genauigkeit der Summe der Teilströme i21 und i22 und steht nun als ermittelter Stromwert der Auslöseelektronik 7 für die weitere Auswertung zur Verfügung.
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In dem Funktionsdiagramm von 3 ist mit der unterbrochenen Linie die nichtlineare Übertragungscharakteristik N der transformatorischen Stromwandler W1, W21, W22 und W3 schematisch dargestellt. Es ist zu erkennen, wie der sekundärseitige Strom (hier mit i' bezeichnet) mit ansteigenden Werten infolge der Sättigungserscheinungen der Stromwandler zunehmend von einem linearen Zusammenhang mit dem primärseitigen Strom (hier mit i bezeichnet) abweicht. In dem Funktionsdiagramm ist weiterhin mit den durchgezogenen Linien die Kompensation Kp der nichtlinearen Übertragungscharakteristik N schematisch dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Bildung des zweiten Korrekturwertes I2, der die Summe der parallelen mittleren Bahnströme i21 und i22 repräsentiert, bei größer werdenden Summenwerten I21' + I22' mit einer zunehmenden Korrektur verbunden ist. In 3 sollen die drei Kurvenverläufe für die Kompensation Kp voneinander abweichende Korrekturverläufe bei unterschiedlichen Differenzbetragswerten |I21' – I22'|, d. h. den funktionalen Zusammenhang der Kompensation Kp von der Stromaufteilung auf die beiden mittleren Strombahnen L21 und L22, andeuten.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So lässt sich die Erfindung beispielsweise auch auf Schaltgeräte oder Schaltgeräteanordnungen mit mehr als zwei parallel geschalteten Strombahnen, die im Bedarfsfall auf mehrere Schaltgeräte verteilt sind, anwenden.
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Bezugszeichenliste
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- 1...4
- Schaltkontakt
- 5
- Auslösevorrichtung
- 6
- Betätigungsmechanismus
- 7
- Auslöseelektronik
- 8
- Messanordnung
- 9
- Analog-Digital-Wandlung
- 10
- Summenbildung
- 11
- Differenzbildung
- i1; i21; i22; i3
- Bahnstrom
- i1'; i21'; i22'; i3'
- Sekundärstrom
- I1; I2; I3
- Korrekturwert
- I1'; I21'; I22'; I3'
- digitaler Messwert
- Kn; Kp
- Kompensation
- L1; L21; L22; L3
- Strombahn
- N
- Übertragungscharakteristik
- u1'; u21'; u22'; u3'
- Messsignal
- W1; W21; W22; W3
- Stromwandler
