DE102011075567A1

DE102011075567A1 - Schalter, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen

Info

Publication number: DE102011075567A1
Application number: DE201110075567
Authority: DE
Inventors: Thomas Kiendl; Josef Bauer; Stefan Widmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-11-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere einen Leistungsschalter für Niederspannungen, mit Schaltkontakten, die zum Öffnen des Schalters (S) durch einen Schaltmechanismus voneinander getrennt werden, mit mindestens einem Stromwandler (RW1, RW2, RW3), der den durch den Schalter (S) fließenden Strom erfasst, und mit einer elektronischen Auslöseeinheit (ETU), die den erfassten Strom mit einem vorgegebenen Schwellwert (SW) vergleicht und bng der Schaltkontakte durch den Schaltmechanismus auslöst. Um die Belastung der zu schützenden Schaltanlage mit selektiven Schaltern im Kurzschlussfall zu reduzieren, insbesondere kürzere Staffelzeiten zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass die Auslöseeinheit (ETU) einen analogen Schaltungsteil aufweist, der den Ausgang eines Speichers (M) bei Überschreitung des Schwellwerts (SW) auf einen vorgegebenen Wert setzt, dass ein Zähler (T) jeweils die Zeit erfasst, die der Speicher (M) bereits auf den vorgegebenen Wert gesetzt ist, und dass die Auslöseeinheit (ETU) einen Mikrocontroller (uC) aufweist, welcher bei Aktivierung der Schutzfunktion jeweils die erfasste Zeit (t1) abfragt und nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit (t2), welche die erfasste Zeit (t1) einschließt, die Trennung der Schaltkontakte auslöst, falls der erfasste Strom den Schwellwert weiterhin überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere einen Leistungsschalter für Niederspannungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Leistungsschalter für Niederspannungen sind bekannt und dienen elektrischen Schaltanlagen zum Schutz vor Überlast- und Kurzschlussströmen. Sie weisen Schaltkontakte auf, die von einem Schaltmechanismus zum Öffnen des Schalters voneinander getrennt werden. Mit Hilfe von Stromwandlern wird der durch den Schalter fließende Strom erfasst und von einer elektronischen Auslöseeinheit mit einem vorgegebenen ersten Schwellwert verglichen. Die Auslöseeinheit ist mit einem Mikrocontroller ausgestattet, welcher den Vergleich ausführt und bei Überschreiten des Schwellwerts die Trennung der Schaltkontakte auslöst.
Die Schalter sollen sich im Fehlerfall zueinander selektiv verhalten. Selektivität bedeutet, dass im Fehlerfall nur der Schalter auslöst, welcher der Fehlerstelle am nächsten liegt. In Richtung der Einspeisung gesehen übergeordnete Schalter dürfen nicht abschalten. Bei der Zeitselektivität wird nach dem Erkennen eines Kurzschlussstroms durch die elektronische Auslöseeinheit (ETU = Electronic Trip Unit) des zugehörigen Schalters zunächst für eine gewisse Verzögerungszeit die Auslösung dieses Schalters durch die Auslöseeinheit blockiert. Eine Auslösung erfolgt nur, falls der Fehler nach Ablauf der Verzögerungszeit noch ansteht und nicht schon durch einen der Fehlerstelle näher liegenden und damit untergeordneten Schalter abgeschaltet wurde. Die Verzögerungszeit (auch als Staffelzeit bezeichnet) wird dabei umso länger gewählt, je näher sich der betrachtete Schalter an der Einspeisung befindet und umso mehr Schalter zwischen diesem und der Fehlerstelle angeordnet sind. Um möglichst kurze Verzögerungszeiten durch die Auslöseeinheit realisieren zu können und dementsprechend die Belastung der Schaltanlage im Kurzschlussfall zu minimieren, ist eine sehr schnelle Erkennung eines Kurzschlussstroms durch die Auslöseeinheit notwendig.
Bei den bekannten Schaltern ist aber insbesondere beim Einschalten des Schalters die Erkennung eines Kurzschlussstroms durch den Mikrocontroller der Auslöseeinheit zeitlich erst möglich, nachdem die Spannungsversorgung aufgebaut und der Mikrocontroller initialisiert worden ist.
Dies kann beim Einschalten des Schalters auf einen vorhandenen Kurzschluss im elektrischen Netz zu vergleichsweise langen Stromflusszeiten und damit verbunden zur Schädigung der Schaltanlage führen.
Auch aus diesem Grunde werden zusätzlich spezielle analoge Schaltkreise in der Auslöseeinheit zur Überwachung des Stroms verwendet. Ein solcher Schaltkreis überwacht bei Stromwandlern mit Eisenkern die Wandler-Spannung (entspricht dem Spannungsabfall am Bürdenwiderstand des Stromwandlers), bei Rogowski-Stromwandlern mit Luftspulen die zeitlich integrierte Wandler-Spannung. Überschreitet die Wandler-Spannung und damit der Strom durch den Schalter einen vorgegebenen Schwellwert, so wird der Schalter unabhängig vom Mikrocontroller durch den analogen Schaltkreis nahezu ohne zeitliche Verzögerung abgeschaltet. Dieser Schwellwert liegt beispielsweise bei dem 10-fachen Schalter-Nennstrom. Nachteilig ist dabei, dass sich die Verzögerungszeit ohne Einsatz des Mikrocontrollers so gut wie nicht einstellen lässt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Belastung der zu schützenden Schaltanlage mit selektiven Schaltern im Kurzschlussfall zu reduzieren, insbesondere kürzere Staffelzeiten zu erzielen.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
Die Lösung sieht vor, dass die Auslöseeinheit einen analogen Schaltungsteil aufweist, der den Ausgang eines Speichers bei Überschreitung des Schwellwerts auf einen vorgegebenen Wert setzt, dass ein Zähler jeweils die Zeit erfasst, die der Speicher bereits auf den vorgegebenen Wert gesetzt ist, und dass die Auslöseeinheit einen Mikrocontroller aufweist, welcher bei Aktivierung der Schutzfunktion jeweils die erfasste Zeit abfragt und nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit, welche die erfasste Zeit einschließt, die Trennung der Schaltkontakte auslöst, falls der erfasste Strom den Schwellwert weiterhin überschreitet Die Lösungsidee besteht also darin, die Zeit bei Auftreten eines Kurzschlusses bis zur Einsatzbereitschaft des Mikrocontrollers der Auslöseeinheit zu erfassen und diese Zeit zu berücksichtigen. Es wird also ein Kurzschlussstrom mittels Hilfe der analogen Schaltung der Auslöseeinheit sehr schnell erkannt.
Bei einer technisch einfachen Ausführung weist der analoge Schaltungsteil der Auslöseeinheit zur Erfassung der Überschreitung des Schwellwerts und zum Setzen des Ausgangs des Speichers auf den vorgegebenen Wert eine Komparatorschaltung auf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Auslöseeinheit eines Schalters mit verkürzter Auslösezeit und
2 eine Auslöseeinheit gemäß 1 mit Multiplexer.
1 betrifft einen nicht weiter gezeigten Schalter S, bei dem es sich um einen Leistungsschalter für Niederspannungen handelt, der dem Schutz von elektrischen Schaltanlagen insbesondere im Überlast- und Kurzschlussfall dient. Zur Erfassung des durch den Schalter S fließenden Stroms sind Stromwandler (Rogowski-Stromwandler) vorgesehen. Eine elektronische Auslöseeinheit ETU vergleicht den erfassten Strom mit Hilfe eines Mikrocontrollers uC mit einem vorgegebenen ersten Schwellwert (nicht gezeigt) und löst das Öffnen des Schalters S aus, wenn der erste Schwellwert überschritten ist. Zum Öffnen des Schalters S werden dessen Schaltkontakte durch einen Schaltmechanismus mittels eines Magnet-Aktuators MA voneinander getrennt. Der Schalter S ist für den selektiven Einsatz vorgesehen und weist eine Verzögerungszeit t2 auf. Die Verzögerungszeit t2 ist die Zeit, die der Schalter S eine Auslösung nach dem Erkennen eines Kurzschlusses verzögern muss. Sie ist im Mikrocontroller uC hinterlegt.
1 zeigt schematisch den Schalter S und die Auslöseeinheit ETU, welche zur schnellen Kurzschluss-Detektion zusätzlich einen analogen Schaltungsteil aufweist. Die Auslöseeinheit ETU überwacht beispielhaft eine Schaltanlage. An allen drei Phasenleitern L1, L2, L3 ist dazu je ein Rogowski-Stromwandler RW1, RW2, RW3 angeordnet, der den durch den zugehörigen Phasenleiter L1, L2, L3 und den Schalter S fließenden Strom in eine Spannung umwandelt, die jeweils der ersten zeitlichen Ableitung des Stroms nach der Zeit entspricht. Den Ausgängen der Stromwandler RW1, RW2, RW3 ist deshalb jeweils ein Integrator IG1, IG2, IG3 nachgeschaltet, an die sich zur Impedanzwandlung und Verstärkung jeweils ein Schaltkreis IA1, IA2, IA3 anschließt. Die Ausgänge der Schaltkreise IA1, IA2, IA3 geben analoge Spannungen u1, u2, u3 auf einen analogen Schaltkreis max(u1, u2, u3), der daraus einen Maximalwert uMax bildet. Die analogen Spannungen u1, u2, u3 sind dabei proportional zur den Strömen in den Leitern L1, L2, L3 und die Spannung uMax ist proportional zum Maximalwert des in den Leitern L1, L2, L3 fließenden Stroms.
Der Ausgang des Schaltkreises max(u1, u2, u3) ist auf einen Komparator K geschaltet, dem ein zweiter Schwellwert SW von außen vorgegeben ist, welcher mit dem Maximalwert uMax verglichen wird. Dieser Schwellwert SW liegt knapp oberhalb des maximal zulässigen Einstellwerts für den unverzögerten Kurzschlussschutz des Schalters S, also z.B. bei seinem 10-fachen Nennstrom. Überschreitet der Maximalwert den Schwellwert SW, wird der (Ausgangs-)Zustand eines Speichers M z.B. in Form eines Flip-Flops auf logisch 1 gesetzt und vom Flip-Flop ein Zähler T als Zeitmesser aktiviert. Der Mikrocontroller uC kann den Zustand des Speichers M und den Stand des Zählers T abfragen (über die Verbindungen mit den Bezugszeichen Z und t1 in 1) sowie den Speicher M und den Zähler T rücksetzen (schematisch jeweils durch das Bezugszeichen r in 1 dargestellt). Das Flip-Flop ist mit einem Eingang des Mikrocontrollers uC verbunden, der anhand des auf 1 gesetzten Flip-Flops erkennt, dass der Maximalwert uMax überschritten wurde. In diesem Falle fragt der mit dem Zähler T verbundene Mikrocontroller uC den Zählerstand und damit die Zeit t1 ab, die seit der Überschreitung des Schwellwerts SW vergangen ist. Der auf die Verzögerungszeit t2 eingestellte Mikrocontroller uC zieht von der Verzögerungszeit t2 jeweils die Zeit t1 ab und löst den Schalter S nach Ablauf der verbliebenen Zeitdifferenz t2 – t1 aus, falls der Kurzschlussstrom noch vorliegt und nicht bereits durch einen vorgeordneten Schalter abgeschaltet wurde. Dazu wird vom Mikrocontroller über eine Treiber-Schaltung der Magnet-Aktuator MA angesteuert. Anschließend werden der Zähler T und der Flip-Flop wieder zurückgesetzt.
Wird der Schalter S auf einen Kurzschluss geschaltet (bei einem vorhandenen Kurzschluss eingeschaltet), so wird in der Auslöseeinheit ETU zunächst die Energieversorgung aufgebaut. Da der analogen Schaltungsteil, also die Integratoren IG1, IG2, IG3, die Schaltkreise IA1, IA2, IA3, der Schaltkreis max(u1, u2, u3) und der Komparator K, eine geringere Betriebsspannung als der Mikrocontroller uC benötigt, ist der analoge Schaltungsteil der Auslöseeinheit ETU deutlich schneller betriebsbereit. Dagegen benötigt der Mikrocontroller uC noch einige Millisekunden Zeit für seine Initialisierung, erst danach ist seine Schutzfunktion vollständig aktiviert. Die Verzögerungszeit t2 reduziert sich beim Schalten auf einen Kurzschluss jeweils um die ausgelesene Zeit t1.
Der Kurzschlussstrom wird also durch die Auslöseeinheit ETU mit Hilfe des analogen Schaltungsteils quasi sofort erkannt, während die Schutzfunktion im Mikrocontroller uC noch nicht aktiv ist.
Werden anstelle von Rogowski-Stromwandlern RW zur Messung des Stroms Stromwandler mit Eisenkern verwendet, müssen die analogen Integratoren IA1, IA2, IA3 in bekannter Weise jeweils durch einen Bürdenwiderstand ersetzt werden.
2 zeigt eine Alternative des analogen Schaltungsteils, bei der die drei Integratoren IG auf einen analogen Multiplexer MP gegeben werden, dem sich die Impedanzwandlung und -verstärkung IA anschließt. Die Umschalt-Frequenz des Multiplexers MP ist um ein vielfaches höher als die Frequenz der Netzspannung bzw. des Stromes gewählt. Dadurch erhält man am Ausgang des Multiplexers ein Zeitsignal, das einer Überlagerung aller drei Stromwandler-Signale darstellt und das annähernd äquivalent zum Maximalwert uMax der drei Spannungen u1, u2, u3 in 1 ist.

Claims

Schalter (S), insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen, mit Schaltkontakten, die zum Öffnen des Schalters (S) durch einen Schaltmechanismus voneinander getrennt werden, mit mindestens einem Stromwandler (RW1, RW2, RW3), der den durch den Schalter (S) fließenden Strom erfasst, und mit einer elektronischen Auslöseeinheit (ETU), die den erfassten Strom mit einem vorgegebenen Schwellwert (SW) vergleicht und bei Überschreitung des Schwellwerts (SW) die Trennung der Schaltkontakte durch den Schaltmechanismus auslöst, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinheit (ETU) einen analogen Schaltungsteil aufweist, der den Ausgang eines Speichers (M) bei Überschreitung des Schwellwerts (SW) auf einen vorgegebenen Wert setzt, dass ein Zähler (T) jeweils die Zeit erfasst, die der Speicher (M) bereits auf den vorgegebenen Wert gesetzt ist, und dass die Auslöseeinheit (ETU) einen Mikrocontroller (uC) aufweist, welcher bei Aktivierung der Schutzfunktion jeweils die erfasste Zeit (t1) abfragt und nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit (t2), welche die erfasste Zeit (t1) einschließt, die Trennung der Schaltkontakte auslöst, falls der erfasste Strom den Schwellwert weiterhin überschreitet.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinheit (ETU) zur Erfassung der Überschreitung des Schwellwerts und zum Setzen des Ausgangs des Speichers (M) auf den vorgegebenen Wert einen Komparator (K) aufweist.