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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Schutz von Stromverteilungsnetzen, insbesondere richtzonenselektive Verriegelung für Schutzschalter in einem Stromverteilungsnetz.
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Zonenselektiver Schutz, auch zonenselektive Verriegelung (ZSI – Zone Selective Interlock) genannt, ist ein Verfahren zum Verringern der Auswirkung auf die verschiedenen Stromverteilungsgeräte in einem Stromverteilungsnetz im Fall eines Kurzschlussfehlers durch weitestmögliches Verkürzen der zur Fehlerbeseitigung aufgewandten Zeit. Genauer gesagt, angenommen es tritt ein Fehler in einem durch eine einzelne Stromquelle versorgten mehrstufigen Stromverteilungsnetz auf, dann muss jeder Schutzschalter, der den Fehler erkennt, dem stromaufwärts liegenden Schutzschalter die Erkennung des Fehlers melden, d.h. ein Verriegelungssignal senden. So werden nur diejenigen Schutzschalter, die keine Meldung empfangen, als die dem Fehlerpunkt am nächsten liegenden Schutzschalter bestimmt und führen einen Sofortschutz durch (z.B. Verzögerungszeit t = 50 ms), d.h. führen eine Abtrennhandlung bzw. Unterbrechung eines Stromkreises mit der kürzesten Verzögerungszeit durch. Die Schutzschalter, die eine Meldung empfangen, führen ein „Locking“ (Sicherung) genannten zeitgesteuerten Schutz durch. Mit „zeitgesteuertem Schutz“ oder „Sicherung“ ist gemeint: wenn der Fehler immer noch nicht beseitigt worden ist (z.B. die schützende Handlung eines der Fehlerstelle näher liegenden Schutzschalters misslingt, d.h. ein der Fehlerstelle nahe liegender Schalter bzw. Schutzschalter löst nicht aus – d.h. unterbricht den elektrischen Strom nicht) öffnet nach einer voreingestellten Verzögerungszeit (z.B. 100 ms) der Schutzschalter; ansonsten erhält er die Verbindung. ZSI ermöglicht selektive Handlungen von Schutzschaltung.
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Die gesteigerte Komplexität von Stromverteilungsnetzen mit mehreren Stromquellen bedeutet, dass die oben beschriebene einfache ZSI nicht für Verwendung in solchen Netzen geeignet ist. Angesichts dessen ist die richtzonenselektive Verriegelung (DZSI – Directional Zone Selective Interlock) vorgeschlagen worden, deren Grundprinzip Folgendes ist: die Fehlerstelle wird basierend auf dem Verhältnis der Richtungen der von den durch die verschiedenen Schutzschalter durchfließenden Ströme im Fehlerfalle identifiziert und dann wird eine Verzögerungszeit für die Handlung jedes Schutzschalters bestimmt, um den identifizierten Fehler zu beseitigen. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass selektiver Schutz zuverlässiger erreicht werden kann, selbst wenn das Netz mehrere Stromquellen oder eine aktive Last enthält.
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Im Stand der Technik gibt es viele Verfahren zum Ausführen von DZSI. Ein Verfahren zum Ausführen von DZSI ist in der
chinesischen Patentanmeldung Nr. 200910266751.7 , vom 7. Juli 2010, offenbart. Das Verfahren benutzt einen unabhängigen Prozessor zum Verwalten der verschiedenen Schutzschalter in einem Stromverteilungsnetz, d.h. der Prozessor überwachte die (Fehler-)Stromrichtung jedes Schutzschalters über einen mit jedem Schutzschalter verbundenen Kommunikationsweg und zeigte auf dieser Grundlage eine Verzögerungszeit für die Handlung des entsprechenden Schutzschalters an.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzvorrichtung bereitzustellen, die eine richtzonenselektive Verriegelungsfunktion (DZSI – Directional Zone Selective Interlock) an einem Schutzschalter ausführt. Eine weitere Aufgabe ist, dass diese Schutzvorrichtung mit einem bestehenden Schutzschalter verbunden werden kann. Eine weitere Aufgabe ist, den Aufbau der elektronischen Auslöseeinheit eines bestehenden Schutzschalters nicht zu ändern. Ferner, verteilte DZSI-Verwaltung zu erreichen. Der Schutzschalter kann durch Anschalten der Schutzvorrichtung von außen von ZSI-Schutz auf DZSI-Schutz aufgewertet werden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht aus der Verringerung der Komplexität der Schaltungen in der Schutzvorrichtung und Verringerung der Anzahl von für die Vorrichtung zugeteilten unabhängigen Stromquellen zum Verringern des Umfangs der Schutzvorrichtung und Verringern ihrer Kosten.
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Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Schutzvorrichtung zum Ausführen von DZSI mit einem Schutzschalter in einem Stromverteilungsnetz verbunden sein, wobei der Schutzschalter mit einer zum Senden oder Empfangen eines Verriegelungssignals fähigen Schnittstelleneinheit ausgerüstet ist. Die Schutzvorrichtung umfasst: ein erstes Anschlusspaar umfassend einen ersten Eingangsanschluss und einen ersten Ausgangsanschluss, die beide mit der Schnittstelleneinheit verbunden werden können; einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss, die an entsprechende Anschlüsse einer DZSI-Schutzvorrichtung eines weiteren Schutzschalters im Stromverteilungsnetz angekoppelt werden können, zum Übertragen des Verriegelungssignals; einen internen Eingangsbus, eingerichtet um mit dem ersten Eingangsanschluss und den zweiten und dritten Anschlüssen verbunden zu sein, zum Übertragen eines durch die Schutzvorrichtung empfangenen Verriegelungssignals; einen internen Ausgangsbus, eingerichtet um mit den zweiten und dritten Anschlüssen verbunden zu sein, zum Übertragen eines von der Schutzvorrichtung zu sendenden Verriegelungssignals; eine Steuereinheit zum Steuern des ersten Anschlusspaars und der zweiten und dritten Anschlüsse, eingerichtet zum Aktivieren eines der zweiten und dritten Anschlüsse als zweiten Ausgangsanschluss und des anderen als zweiten Eingangsanschluss, als Reaktion auf die erkannte Richtung des aktuell den Schutzschalter durchfließenden Stroms; und Weiterleiten des Verriegelungssignals an dem Eingangsbus, das vom ersten Eingangsanschluss auf den internen Ausgangsbus empfangen wird, und/oder Weiterleiten eines Verriegelungssignals auf dem Eingangsanschluss, das vom zweiten Eingangsanschluss empfangen wird, zum ersten Ausgangsanschluss.
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Vorzugsweise umfasst der erste Eingangsanschluss eine erste Eingangsschaltung, die an den Eingangsbus angekoppelt ist und eine Antriebsstromversorgung umfasst, und zum Übertragen eines Verriegelungssignals auf den Eingangsbus zur Steuereinheit benutzt wird; der erste Ausgangsanschluss ist weiterhin mit einer ersten Ausgangsschaltung verbunden, die an den ersten Ausgangsanschluss angekoppelt ist und zum Senden vom ersten Ausgangsanschluss eines Verriegelungssignals von der Steuereinheit mittels Signaltrennung benutzt wird; die Steuereinheit ist weiterhin mit einer zweiten Ausgangsschaltung verbunden, die an den Ausgangsbus angekoppelt ist und zum Ausgeben eines Verriegelungssignals von der Steuereinheit zum Ausgangsbus mittels Signaltrennung benutzt wird.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit weiterhin zum Aktivieren des zweiten Anschlusses der zweiten und dritten Anschlüsse als ein zweiter Ausgangsanschluss eingerichtet, und des dritten Anschlusses als ein zweiter Eingangsanschluss, wenn die Richtung des den Schutzschalter aktuell durchfließenden Stroms und eine voreingestellte Strombezugsrichtung die gleichen sind; und wenn sie nicht die gleichen sind, um den dritten Anschluss als zweiten Ausgangsanschluss und den zweiten Anschluss als einen zweiten Eingangsanschluss zu aktivieren.
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Vorzugsweise sind ein mit dem zweiten Anschluss verbundener zweiter Eingangsschalter und ein zweiter Ausgangsschalter auf dem Eingangsbus bzw. dem Ausgangsbus vorgesehen und ein mit dem dritten Anschluss verbundener dritter Eingangsschalter und ein dritter Ausgangsschalter auf dem Eingangsbus bzw. dem Ausgangsbus vorgesehen, wobei die Steuereinheit die zweiten und dritten Eingangs-/Ausgangs-Schalter zum Aktivieren des entsprechenden Anschlusses ansteuert. Vorzugsweise umfassen die zweiten und dritten Eingangs-/Ausgangsschalter Trennschalterelemente, beispielsweise Optokoppler.
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Vorzugsweise bestimmt die Steuereinheit die Richtung des den Schutzschalter aktuell durchfließenden Stroms nach dem erkannten Phasenstrom und der erkannten Netzspannung und die Schutzvorrichtung ist weiterhin an einen stromtransformatorischen Induktor zum Erkennen des Phasenstroms und eine Spannungsmessschaltung zum Erkennen der Netzspannung angekoppelt. Vorzugsweise wird die Steuereinheit durch den stromtransformatorischen Induktor bestromt. Die Steuereinheit wird durch wenigstens eines von Netzspannung und dem stromtransformatorischen Induktor bestromt. Wahlweise umfasst der stromtransformatorische Induktor einen stromtransformatorischen Induktor mit Eisenkern und eine Rogowski-Spule. Wahlweise wird die Antriebsstromversorgung in der ersten Eingangsschaltung durch einen an die Schutzvorrichtung angekoppelten stromtransformatorischen Induktor bestromt.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch die vorliegende Erfindung auch eine Schutzschaltereinrichtung bereitgestellt, umfassend: einen Schutzschalter zum Ein- und Ausschalten einer Stromversorgungsleitung; eine elektronische Auslöseeinheit zum Überwachen eines den Schutzschalter durchfließenden Stroms und Steuern des Ein- oder Ausschaltens des Schutzschalters und umfassend eine Schnittstelleneinheit zum Empfangen oder Senden eines Verriegelungssignals; und die oben erwähnte Schutzvorrichtung zum Ausführen von DZSI. Der zweite und/oder dritte Anschluss der Schutzvorrichtung kann mit einem entsprechenden Anschluss einer Schutzvorrichtung einer weiteren Schutzschaltereinrichtung verbunden sein.
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Die Schutzvorrichtung nach den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die richtige Richtung bestimmen, in welche ein Verriegelungssignal zu übertragen ist, basierend auf der Richtung eines einen Schutzschalter aktuell durchfließenden Stroms, um das Verriegelungssignal zu der entsprechenden Schnittstelle zu übertragen (Vorwärtsschnittstelle oder Rückwärtsschnittstelle). So ist es möglich, eine Schutzvorrichtung durch äußeres Anschließen dieser Schutzvorrichtung mit DZSI-Funktionalität aufzuwerten, ohne die ZSI-Auslegung eines bestehenden Schutzschalters (z.B. MCCB) zu ändern, womit Aufwerten einer bestehenden Einrichtung einfacher ist.
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Hinsichtlich Verriegelungssignalen von anderen Schutzschaltern, wenn die in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Lösung angenommen wird, ist die Steuereinheit in der Schutzvorrichtung zum Aktivieren des entsprechenden Vorwärts- oder Rückwärtskanals gemäß der Stromrichtung verantwortlich, Eingangs- oder Ausgangs-Verriegelungssignale werden automatisch auf den Bussen übertragen und die Steuereinheit muss Verriegelungssignale nicht zu jedem Anschluss weiterleiten. So werden die Steuerschaltungen und die Steuerlogik der Steuereinheit vereinfacht.
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Da weiterhin ein interner Eingangsbus und interner Ausgangsbus eingeführt worden sind, können sich die verschiedenen Anschlussschnittstellen den gleichen Satz von Eingangsschaltungen oder Ausgangsschaltungen teilen, ohne einen getrennten Eingangs/Ausgangsschaltungsteil für jeden Anschluss in der Schutzvorrichtung aufbauen zu müssen. Da weiterhin die Steuereinheit zum Weiterleiten von Verriegelungssignalen verantwortlich ist, ist die Last an der Eingangsschaltung in der Schutzvorrichtung nur eine stromabwärtige Schutzvorrichtung. Da kein Bedarf zum Neuberechnen des Lastproblems der Eingangsschaltung besteht, ermöglicht eine solche Auslegung eine enorme Verbesserung der Erweiterungsfähigkeit und Flexibilität des Stromverteilungsnetzes und vereinfacht dabei die Komplexität und Wartungskosten.
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In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält die Schutzvorrichtung nur eine 15-V-Stromversorgung für die Eingangsschaltung und eine 3,3-V-Stromversorgung für die Steuereinheit. Im Vergleich zu der Lage im Stand der Technik vereinfacht die Auslegung der vorliegenden Erfindung die Schaltungskomplexität in der Schutzvorrichtung wie auch die Anzahl unabhängiger Stromversorgungen. Zusätzlich kann Strom für die 15-V- und 3,3-V-Stromversorgung durch einen stromtransformatorischen Induktor bereitgestellt werden. Die EDP kann daher selbst bestromt sein.
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Die Aufgaben, Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung verdeutlicht, die auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug nimmt.
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1 zeigt ein Anwendungsszenario für DZSI nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2A zeigt die Flussrichtung eines Fehlerstroms, wenn ein Fehler einer Art in dem in 1 gezeigten Szenario auftritt;
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2B zeigt die Flussrichtung eines Fehlerstroms, wenn ein Fehler einer anderen Art in dem in 1 gezeigten Szenario auftritt;
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3 zeigt ein Verfahren zum Anschließen einer DZSI-Schutzvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem in 1 gezeigten Anwendungsszenario;
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4 zeigt ein Strukturblockschaltbild einer (als EDP abgekürzten) DZSI-Schutzvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die außerhalb eines Schutzschalters angeschlossen ist;
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5 zeigt ein Betriebsflussdiagramm für die in 4 gezeigte EDP;
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6 zeigt ein Strukturblockschaltbild einer EDP nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt das Verbindungsverhältnis zwischen den Schutzschaltern mit EDP nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem in 3 gezeigten Anwendungsszenario, zum Beispiel.
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die folgende Beschreibung wird die oben erwähnten Vorteile der vorliegenden Erfindung leichter verständlich machen.
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1 zeigt beispielsweise ein Anwendungsszenario für ein DZSI-System nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, d.h. einer Stromverteilungsnetzstruktur in der Form einer H-Brücke. Wie die 1 zeigt, umfasst die H-Brückenstruktur zwei Stromquellen TM1 und TM2, die zwei passiven Lasten L getrennt Strom zuführen. An jedem Brückenarm der H-Brückenstruktur ist ein Schutzschalter (= Circuit Breaker, CB) vorgesehen, nämlich CB1, CB2, CB4 bzw. CB5, während ein Verbindungs-Schutzschalter CB3 auch an der Mittelbrücke vorgesehen ist. Der Pfeil in der Nähe jedes Schutzschalters in der 1 zeigt eine Strombezugsrichtung an. Die Strombezugsrichtung ist beispielsweise die Richtung von den Schutzschalter unter normalen Umständen durchfließendem Strom (z.B. wenn der Schutzschalter leitet). Unter normalen Umständen ist der den verbindenden Schutzschalter CB3 durchfließende Strom sehr gering. Aus diesem Grund wird dessen Strombezugsrichtung hier als „zur Linken“ voreingestellt, zum Beispiel wie in der Figur gezeigt.
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In dem in 1 gezeigten H-Brückenstrukturanwendungsszenario kann ein Kurzschlussfehler wie in 1 gezeigt an 6 Fehlerstellen auftreten, d.h. Fehlerstellen F1–F6. Hier kann der Kurzschlussfehler durch eine Anzahl von Faktoren, z.B. Kurzschließen von Phasenleitern, oder einen Erdschlussfehler bewirkt werden. In der 1 tritt Fehlerstelle F1 beispielsweise zwischen der Stromquelle TM1 und dem Schutzschalter CB1 auf, Fehlerstelle F4 tritt beispielsweise an der Anschlussstelle auf der rechten Seite des Anschluss-Schutzschalters CB3 auf und Fehlerstelle F6 tritt in der Nähe der passiven Last auf der rechten Seite der Figur auf. Die Richtung, in der ein Verriegelungssignal zwischen Schutzschaltern übertragen wird, wird für die verschiedenen in 1 gezeigten Fehler gemäß dem Grundsatz von ZSI unterschiedlich sein.
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2A und 2B zeigen beispielsweise die Fehlerstromflussrichtungen und die Richtungen, in denen Verriegelungssignale zwischen Schutzschaltern in zwei Fehlersituationen übertragen werden. In 2A bilden die durch TM1 und TM2 ausgegebenen Ströme, wenn ein Fehler an Stelle F1 auftritt, einen Fehlerstrom und laufen an Fehlerstelle F1 zusammen, d.h. der Fehlerstrom fließt wie durch den gepunkteten Pfeil in 2A gezeigt. An dieser Stelle sind die Richtungen der die Schutzschalter CB2 und CB3 durchlaufenden Fehlerströme die gleichen wie ihre jeweiligen Strombezugsrichtungen, während die Richtung des CB1 durchlaufenden Fehlerstroms dessen voreingestellter „Abwärts“-Strombezugsrichtung entgegengesetzt ist. CB4 und CB5 sind mit passiven Lasten verbunden und werden daher durch keinen Strom durchflossen. So kann gemäß dem Grundsatz von ZSI der Fehler behoben werden, solange wie CB1 sich sofort öffnet und die Verzögerungszeit d0 für die Handlung von CB1 damit die kürzeste ist. Wenn CB1 ausfällt, kann der Fehler auch behoben werden, wenn CB3 sich öffnet, so dass die Verzögerungszeit d1 von CB3 d1 > d0 entspricht. Wenn CB3 ebenfalls ausfällt, muss CB2 dann geöffnet werden, so dass die Verzögerungszeit d2 von CB2 die längste ist und d2 > d1 entspricht. CB4 und CB5 sind mit den passiven Lasten L verbunden und sind daher nicht in der Lage, den Fehler F1 zu beheben und können daher zu allen Zeiten in einem leitenden Zustand verbleiben. Bei Erkennen eines Fehlers muss damit CB1 (wie durch Pfeil C in der Figur gezeigt) ein Verriegelungssignal an CB3 übertragen; CB3 erkennt wiederum den Fehler und überträgt dann ein Verriegelungssignal zu CB2. Nach dem Empfang von Verriegelungssignalen können CB2 und CB3 ihre jeweiligen Verzögerungszeiten d1 bzw. d2 einstellen und in einen verriegelten Zustand eintreten, und nur eine Schutzhandlung ausführen, wenn der Fehler noch vorliegt, wenn ihre jeweiligen Verzögerungszeiten ablaufen.
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In der 2B wird angenommen, dass ein Fehler an Stelle F4 eintritt. Dann bilden die durch TM1 und TM2 ausgegebenen Ströme einen Fehlerstrom und laufen an Fehlerstelle F4 zusammen, d.h. der Fehlerstrom fließt wie durch den gepunkteten Pfeil in 2B gezeigt. An dieser Stelle sind die Richtungen der die Schutzschalter CB1 und CB2 durchlaufenden Fehlerströme die gleichen (als Fwd (Forward – Vorwärts) bezeichnet) wie deren Strombezugsrichtungen, während die Richtung des CB3 durchfließenden Fehlerstroms (als Bwd (Backward – Rückwärts) bezeichnet) der voreingestellten Strombezugsrichtung „zur Linken“ derselben entgegengesetzt ist. Auf ähnliche Weise ist gemäß dem oben erwähnten ZSI-Grundsatz die Verzögerungszeit d0 für die Handlungen von CB2 und CB3 die kürzeste, wobei die Verzögerungszeit d1 für CB1 als nächstes kommt, d1 > d0. Damit muss nach Erkennung des Fehlers CB3 ein Verriegelungssignal zu CB1 übertragen (wie durch Pfeil C‘ in der Figur gezeigt), so dass CB1 seine Handlungsverzögerungszeit als d1 einstellt und in einen verriegelten Zustand eintritt. Wie aus 2A und 2B ersichtlich, bezieht sich unter verschiedenen Fehlerbedingungen die Änderung der Richtung von Fehlerströmen auf die Richtung, in der Verriegelungssignale zwischen Schutzschaltern übertragen werden (z.B. CB1 und CB3), womit es notwendig ist, richtzonenselektive Verriegelung (DZSI – Directional Zone Selective Interlock) als eine Lösung einzuführen.
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3 zeigt als Beispiel eine DZSI-Lösung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem in 1 gezeigten Anwendungsszenario. Wie in 3 gezeigt, ist in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jeder Schutzschalter CBn mit einer Schutzvorrichtung ausgerüstet (abgekürzt als EDP: External Directional Protection Unit – externe gerichtete Schutzeinheit), fähig zum Ausführen von DZSI (EDP_CBn bezeichnet die für einen gewissen Schutzschalter CBn benutzte EDP). Jede EDP kann die für DZSI erforderliche Richtungsbestimmung und die Übertragung von Verriegelungssignalen bewirken, während sie in der Lage ist, als externe Vorrichtung über eine Schnittstelle mit dem Schutzschalter CBn verbunden zu werden, ohne Bedarf irgendeiner Änderung an dem bestehenden Schutzschalter. In der in 3 gezeigten Anwendung umfasst die EDP_CBn jedes Schutzschalters zwei Anschlüsse AIO/BIO. Verrielungssignale werden auf zwischen den EDP_CBn-Schnittstellen hergestellten Signalbussen (BUS_1, BUS_2) übertragen.
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4 ist ein Blockschaltbild, das die bestimmte Struktur einer Ausführungsform einer in 3 gezeigten EDP_CBn zeigt. In der 4 wird die Ein- oder Ausschalthandlung des Schutzschalters CBn durch eine elektronische Auslöseeinheit (ETU – Electronic Tripping Unit) ETU_CBn des Schutzschalters selbst gesteuert. Die ETU_CBn kann mit dem CBn integriert sein wie in bestehenden Schutzschaltern mit Pressstoffgehäuse (MCCB – Molded-Case Circuit Breakers). Die ETU_CBn umfasst spezifisch zwei Einheiten, nämlich eine CPU_CBn und eine ZSI_CBn. Die CPU_CBn kann die Größe von den CBn durchfließenden Strom überwachen und auf dieser Grundlage Fehler erkennen, zu welcher Zeit sie eine Auslösehandlung durchführen kann, so dass sich der CBn ausschaltet. Die ZSI_CBn ist eine ZSI-Schnittstelleneinheit, die mit anderen Vorrichtungen kommunizieren oder damit verbunden sein kann, und in diesem Fall der Funktion von Signaltrennung und/oder Signalansteuerung dient. Die ETU_CBn in der 4 kann die ZSI-Grundfunktion realisieren. Die ZSI_CBn in der ETU_CBn ist nach der vorliegenden Erfindung über einen Anschluss mit der EDP_CBn zwecks Realisierung der DZSI-Funktion verbunden.
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Genauer gesagt umfasst in 4 die Schnittstelleneinheit ZSI_CBn eine Stromversorgung P_S zum Erzeugen einer 15-V-Gleichspannung wie auch eine Eingangsschaltung 410 zum Empfangen eines Verriegelungssignals und eine Ausgangsschaltung 420 zum Ausgeben eines Verriegelungssignals. Die Eingangsschaltung 410 umfasst beispielsweise eine in Reihe zwischen Eingangsanschlüsse I+/I– gekoppelte aktive Schaltung, wobei diese Schaltung beispielsweise eine 15-V-Stromversorgung, einen strombegrenzenden Widerstand und eine Trennungserkennungsvorrichtung (z.B. einen Optokoppler) umfasst. Si_x ist ein durch die Eingangsschaltung 410 erhaltenes Eingangssignal, z.B. ein Verriegelungssignal. In der 4 umfasst die Ausgangsschaltung 420 beispielsweise einen basisgesteuerten Transistor, dessen Basis mit einem auszugebenden Verriegelungssignal So_x verbunden ist. So_x kann beispielsweise ein durch die CPU_CBn erzeugtes Verriegelungssignal sein. Wenn der Transistor in eine aktive Schaltung eingekoppelt ist, kann ein gültiges Verriegelungssignal So_x an dessen Basis den Transistor zum Leiten veranlassen und dadurch eine Änderung des Stroms in der aktiven Schaltung bewirken. Durch Überwachung dieser Stromänderung kann das durch die ZSI_CBn ausgegebene Verriegelungssignal erhalten werden.
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In der 4 umfasst die EDP_CBn die Anschlüsse AIO/BIO, die in der 3 erscheinen, die an die Anschlüsse der EDP eines anderen Schutzschalters angeschlossen werden können, um einen Bus zur Verriegelungssignalübertragung zwischen EDP_CBn zu bilden. Zusätzlich umfasst die EDP_CBn weiterhin einen Eingangsanschluss IE und einen Ausgangsanschluss OE verbunden mit der ZSI_CBn. Der Eingangsanschluss IE empfängt ein durch die Ausgangsschaltung 420 in der ZSI_CBn gesendetes Verriegelungssignal; der Ausgangsanschluss OE sendet zur Eingangsschaltung 410 der ZSI_CBn ein durch die EDP_CBn von der EDP eines anderen Schutzschalters empfangenes Verriegelungssignal. In dem Beispiel der 4 umfasst AIO/BIO bzw. IE/OE vorzugsweise zwei Anschlüsse, einen positiven und einen negativen, wobei der negative Anschluss allgemein Erde ist, aber dies nicht unbedingt.
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In der in 4 gezeigten EDP_CBn sind ein Eingangsbus BUS_I und ein Ausgangsbus BUS_O zwischen AIO und BIO vorgesehen. Eingangsschalter SAI und SBI und Ausgangsschalter SAO und SBO sind an dem Eingangsbus bzw. Ausgangsbus vorgesehen, wobei diese Schalter durch eine Steuereinheit MCU gesteuert werden. Eine Buseingangsschaltung 510 ist an den Eingangsbus BUS_I angeschlossen. Eine Busausgangsschaltung 520 ist an den Ausgangsbus BUS_O angeschlossen. Die Steuereinheit MCU sendet Verriegelungssignale zum Ausgangsbus BUS_O über die Busausgangsschaltung 520. Die Steuereinheit MCU empfängt Verriegelungssignale vom Eingangsbus BUS_I über die Buseingangsschaltung 510. Die EDP_CBn umfasst weiterhin eine durch die MCU (mit dem Steuersignal SEO) gesteuerte Ausgangsschaltung 530 verbunden mit dem OE-Anschluss, damit die MCU Verriegelungssignale zur ETU senden kann. In der 4 ist weiterhin ein durch die MCU gesteuerter Schalter SEI zwischen der Buseingangsschaltung 510 und dem IE-Anschluss vorgesehen; Verriegelungssignale von der ETU_CBn können durch die MCU nur dann empfangen werden, wenn der Schalter SEI leitet. In der 4 sind die Buseingangsschaltung 510 und Busausgangsschaltung 520 die gleichen wie die Eingangsschaltung 410 bzw. Ausgangsschaltung 420 in der ZSI_CBn, können aber in reellen Anwendungen unterschiedlich sein.
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Weiterhin ist die MCU in 4, um die Richtung von dem Schutzschalter CBn gegenwärtig bei fließendem Strom zu erhalten, an eine Spannungserkennungsschaltung Div und eine Stromerkennungsschaltung CT angekoppelt, um die in Echtzeit gemessene Spannung V und Strom i zu erhalten. Vorzugsweise ist die Spannungserkennungsschaltung Div eine Spannungsteilungsschaltung, die Netzspannung durch Spannungsteilung abtastet. Die Stromerkennungsschaltung CT ist vorzugsweise ein stromtransformatorischer Induktor. Vorzugsweise ist die Stromerkennungsschaltung CT ein transformatorischer Induktor gebildet durch Kombinieren eines stromtransformatorischen Eisenkerninduktors und eines stromtransformatorischen Induktors mit Rogowski-Spule. Die Schaltungen Div und CT können diskret sein oder mit der ETU geteilt sein. Zusätzlich ist die EDP_CBn in 4 weiterhin mit einer Stromversorgung P_S2 ausgerüstet, die beispielsweise eine Gleichstromquelle von 3,3 V für die MCU bereitstellt und eine 15-V-Antriebsstromquelle für die Buseingangsschaltung 510 bereitstellt.
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5 zeigt beispielsweise das Steuerungsverfahren der MCU in der in 4 gezeigten EDP_CBn. Wie 5 zeigt, wird, sobald der Schutzschalter CBn eingeschaltet ist, ein Initialisierungsvorgang ausgeführt. Im Schritt 510 berechnet die MCU die Richtung von dem Schutzschalter CBn gegenwärtig durch fließenden Strom auf Grundlage der durch Div und CT erkannten Spannung V und des Stroms i. Wenn die Stromrichtung „Vorwärts (Fwd – Forward)“ ist, kann dies beispielsweise anzeigen, dass die Richtung eines den Schutzschalter gegenwärtig durchfließenden Fehlerstroms die gleiche wie die Strombezugsrichtung ist (wie in 2A) des Schutzschalters, während, wenn sie nicht gleich sind, die Stromrichtung als „Rückwärts (Bwd – Backward)“ bezeichnet wird. In Abhängigkeit von der bestimmten Einstellung kann natürlich dieser Begriff „Vorwärts“ auch anders eingestellt sein und beispielsweise der gegenwärtigen Bezugsrichtung entgegengesetzt sein.
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Im Schritt S520 schaltet die MCU die Eingangsschalter SAI und SBI und SAO und SBO ab, so dass die Signale SO und SEO ungültig werden, schließt aber den Schalter SEI. So trennt die MCU im Schritt S520 die Verbindung mit anderen Schutzschaltern ab und schaltet die Verbindung mit der ZSI_CBn allein ein, um zu überwachen, ob es ein Verriegelungssignal von der ETU gibt. Dann liest im Schritt S530 die MCU und bestimmt, ob ein Signal Si von der Eingangsschaltung 510 ein gültiges Verriegelungssignal ist (z.B. LOW zeigt ein gültiges Verriegelungssignal an, während HIGH anzeigt, dass es kein Verriegelungssignal gibt). Wenn das Bestimmungsergebnis in S530 besagt, dass kein Verriegelungssignal empfangen worden ist, kehrt die MCU zum Schritt S520 zurück und überwacht weiterhin die Eingabe von der ETU. Wenn umgekehrt das Bestimmungsergebnis im Schritt S530 besagt, dass Si = LOW, d.h. die ETU ein Verriegelungssignal gesendet hat, dann schreitet das Verfahren zum Schritt S540 weiter.
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Im Schritt S540 steuert die MCU die zutreffenden Schalter und Steuersignale entsprechend der bestimmten Stromrichtung an. Wenn beispielsweise die Stromrichtung als rückwärts bestimmt wird, schließt die MCU die Schalter SAI und SBO (EIN) und setzt das Ausgangssignal SO auf Gültig-Pegel (z.B. Verriegelungssignal = EIN) und öffnet gleichzeitig die Schalter SAO, SBI und SEI (AUS). Wenn daher die Stromrichtung rückwärts besagt, sendet die MCU ein Verriegelungssignal zu der EDP eines anderen Schutzschalters vom BIO-Anschluss und empfängt gleichzeitig ein Verriegelungssignal von der EDP eines anderen Schutzschalters vom AIO-Anschluss. Wenn umgekehrt die Stromrichtung vorwärts besagt (Fwd), schließt die MCU die Schalter SAO und SBI (EIN) und setzt das Ausgangssignal SO auf Gültig-Pegel (z.B. Verriegelungssignal = EIN) und öffnet gleichzeitig die Schalter SAI, SBO und SEI (AUS). Wenn daher die Stromrichtung vorwärts besagt, sendet die MCU ein Verriegelungssignal zur EDP eines anderen Schutzschalters vom AIO-Anschluss und empfängt gleichzeitig ein Verriegelungssignal von einer anderen EDP vom BIO-Anschluss. In der in 4 gezeigten EDP wird deutlich jedes Mal nur einer von AIO und BIO als Ausgangsanschluss zum Senden eines Verriegelungssignals geöffnet, und der andere der beiden wird als Eingangsanschluss zum Empfangen eines Verriegelungssignals von einer anderen EDP geöffnet. Betreffs welcher der AIO/BIO als Eingang benutzt wird und welcher als Ausgang benutzt wird, ist dies von der bestimmten Stromrichtung und dem Verhältnis unter Schutzschaltern abhängig.
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Im Schritt S550 erkennt dann die MCU, ob deren Buseingangsschaltung 510 ein Verriegelungssignal von einer anderen EDP empfangen hat, d.h. bestimmt, ob Si = LOW gültig ist. Wenn es nicht gültig ist, schreitet das Verfahren zum Schritt S580 fort. Im Schritt S580 wird der mit der ETU verbundene Eingangsanschluss IE weiterhin auf ein Verriegelungssignal überwacht, anders gesagt schließt die MCU den Schalter SEI (EIN), öffnet aber (AUS) SAI (im Fall, wo die Stromrichtung rückwärts ist) oder öffnet SBI (im Fall, wo die Stromrichtung vorwärts ist). Das Verfahren kehrt dann zum Schritt S530 zurück, um zu bestimmen, ob Si = LOW gültig ist. Wenn Si gleich LOW ist (ein gültiger Wert ist) im Schritt S550, zeigt dies an, dass ein Verriegelungssignal von einer anderen EDP empfangen worden ist, und so schreitet das Verfahren zum Schritt S560 fort. Im Schritt S560 macht die MCU das Signal SEO zu einem gültigen Wert (SEO = EIN) und sendet damit das empfangene Verriegelungssignal zur ETU. Nach abgeschlossenem Senden kehrt das Verfahren zum Schritt S510 zurück, um wieder die Stromrichtung zu bestimmen, und wird auf diese Weise in Zyklen wiederholt.
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6 zeigt beispielsweise das Strukturblockschaltbild einer weiter bevorzugten EDP_CBn. Die EDP_CBn in der 6 unterscheidet sich von der EDP_CBn in der 4 dadurch, dass die Schalter SAI, SAO, SBI, SBO und SEI als Trennschalter konstruiert sind. In der 6 sind die Trennglieder vorzugsweise Optokoppler, aber es können natürlich auch andere Trennglieder genutzt werden, beispielsweise Trennrelais usw. Neben den Schaltern werden auch Trennglieder wie beispielsweise Optokoppler für die durch die MCU gesendeten Steuersignale SEO und SO und das empfangene Signal Si benutzt. Die Verwendung von Trenngliedern kann Beschädigung der MCU durch Leckage oder Fehler verhindern. Zusätzlich werden in dem in 6 gezeigten Beispiel die durch P_S2 bereitgestellten 3,3-V- und 15-V-Stromquellen beide dem stromtransformatorischen Induktor CT entnommen. So kann die EDP ihren eigenen Strom liefern und damit von anderen EDP unabhängig sein. Natürlich könnte P_S2 auch beispielsweise in der Form einer Batterie bereitgestellt werden.
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7 zeigt beispielsweise eine Situation, in der zwei EDP wie in 4 oder 6 gezeigt miteinander verbunden sind. Der Einfachheit halber sind die Busse zu zugehörigen Schaltungen von Schaltern daran in der 7 vereinfacht dargestellt. Wie in 7 gezeigt, ist der BIO-Anschluss von EDP_CB1 mit dem AIO-Anschluss von EDP_CB3 verbunden. Die Funktionsweise in der in 7 dargestellten Situation wird unten beschrieben.
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Angenommen, es tritt ein Fehler an der in 1 gezeigten Fehlerstelle F1 ein, dann entspricht die Flussrichtung des Fehlerstroms nach 7 der in 2A gezeigten. Die ETU von CB1 erkennt zuerst den Fehler und setzt ein in ZSI_CB1 auszugebendes Verriegelungssignal So_x auf gültig. An dieser Stelle erkennt die MCU von EDP_CB1, dass die Richtung des Fehlerstroms rückwärts besagt (Bwd), und erhält Si = LOW entsprechend dem in 5 gezeigten Verfahren; die MCU aktiviert daher einen Rückwärtskanal, nach Abschalten von SEI, d.h. macht AIO zu einem Eingangsanschluss und gibt ein gültiges Verriegelungssignal SBO von BIO an EDP_CB3 aus. Auf ähnliche Weise erkennt die MCU von EDP_CB3 auch, dass die Richtung des Fehlerstroms rückwärts ist (Bwd), hat aber nach dem in 5 gezeigten Verfahren kein gültiges Verriegelungssignal von ZSI_CB3 empfangen, so dass die MCU auch einen Rückwärtskanal aktiviert, d.h. AIO zu einem Eingangsanschluss und BIO zu einem Ausgangsanschluss macht. EDP_CB3 empfängt dann von deren AIO das Verriegelungssignal von EDP_CB1 und die MCU sendet das Verriegelungssignal über SEO zu deren ZSI_CB3, gemäß dem in 5 gezeigten Verfahren.
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Wie aus 7 ersichtlich ist, leitet die MCU in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das vom Bus empfangene Verriegelungssignal oder das von der ZSI empfangene Verriegelungssignal weiter. So ist die Last der Buseingangsschaltung 510 in jeder EDP nur die Ausgabe einer stromaufwärtigen EDP, während die Last der Eingangsschaltung 410 in der ZSI_CBn des gleichen Schutzschalters nur die Ausgangsschaltung 530 in der EDP_CBn ist. Eine solche Schaltungskonstruktion begrenzt deutlich die Eingangsschaltungslast in der EDP und ZSI und kann damit die Erweiterungsfähigkeit des gesamten Netzes verbessern, wie auch dessen Stabilität erhöhen.
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Der Fachmann sollte verstehen, dass verschiedene Änderungen und Abänderungen an den oben offenbarten Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne aus dem Wesen der Erfindung zu weichen; alle derartigen Änderungen und Abänderungen sollten in den Schutzrahmen der vorliegenden Erfindung fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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