DE102014219869A1 - Differenzstromüberwachungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCM), aufweisend eine Differenzstrommesseinrichtung (S) zur Erkennung eines Differenzstromes (Id) eines Versorgungsleiterbündels (L1, L2, L3, N; L1, N; L1, L2), eine Vergleichseinrichtung (COMP), welche den erkannten Differenzstrom mit vorbestimmten Warnwerten (Iw1, Iw2) vergleicht, und bei Erreichen und/oder Überschreiten eines der vorbestimmten Warnwerte (Iw1; Iw2) mittels einer jedem der vorbestimmten Warnwerte zugeordneten Warneinrichtung (ALARM) eine jeweilige Warnmeldung auszugeben, wobei mindestens einer der vorbestimmten Warnwerte (Iw1; Iw2) mittels einer Einstelleinrichtung (SELECT) einstellbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Differenzstromüberwachungsvorrichtung.
• Zur Detektion von Fehlerströmen werden in verschiedensten Anlagen Differenzstromüberwachungsvorrichtungen eingesetzt.
• Diese Differenzstromüberwachungsvorrichtungen sollen vor Erreichen von Abschaltschwellen von im Energiefluss dieser Stromkreise liegenden Differenzstromschutzschaltern eine Warnmeldung generieren. Dabei ist das Ziel eine möglichst hohe Verfügbarkeit der Anlage bei gleichzeitiger hoher Sicherheit zur Verfügung zu stellen, z.B. dadurch, dass frühzeitig notwendige Wartungen vorgenommen werden können.
• Normativ sind solche Differenzstromüberwachungsvorrichtungen beispielsweise in DIN EN 62020:2005-11 beschrieben. Differenzstromüberwachungsvorrichtungen können z.B. für Personenschutzzwecke (Vermeiden der Gefahr eines elektrischen Schlages) oder für Brandschutzzwecke (Vermeiden der Entfachung eines Brandes aufgrund bestimmungswidrig aus Leitungssystemen austretenden Stromes) eingesetzt werden.
• So sollen unerwartete plötzliche Abschaltungen reduziert werden.
• Es ist dabei zu berücksichtigen, dass solche Anlagen auch in Produktionsprozessen Verwendung finden. Dort führt jede Abschaltung der auf diese Weise geschützten Stromkreise zu einem teilweisen oder vollständigen Ausfall eines Produktionsprozesses.
• Daher ist die Warnschwelle sinnvoll zu gestalten.
• Es zeigt sich jedoch, dass die Toleranzbereiche der Differenzstromschutzschaltern so groß ist, dass eine Warnung eines drohenden Abschaltens entweder nicht erfolgt, weil die Warnschwelle der Differenzstromüberwachungsvorrichtung zu hoch war, oder aber die Warnschwelle so niedrig anzusetzen ist, dass praktisch jeder noch so kleine Fehlerstrom, der jedoch ansonsten ungefährlich ist, zu einer Warnung führt. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass auch die Differenzstromüberwachungsvorrichtung über Toleranzbereiche verfügt. Toleranzbereiche können dabei beispielsweise bis zu 50 % des Nennwertes betragen.
• Beide Zustände sind nicht sinnvoll und laufen dem eigentlichen Zweck einer hohen Verfügbarkeit zuwider, denn sowohl Fehlsignalisierungen als auch Fehlauslösungen müssen vermieden werden.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen oder mehrere der vorgenannten Mängel zu beheben.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
• 1 Differenzstromüberwachungsvorrichtung und Differenzstromschaltvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Funktionseinheit,
• 2 eine schematische Darstellung eines Aspektes der Erfindung, und
• 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Aspektes der Erfindung.
• In 1 sind verschiedene Ausführungsvarianten der Erfindung dargestellt, die nachfolgend eingehender dargestellt werden.
• Dabei ist zunächst eine erfindungsgemäße Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM dargestellt. Die erfindungsgemäße Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM weist zunächst ganz allgemein eine Differenzstrommesseinrichtung S zur Erkennung eines Differenzstromes I_d in einem Versorgungsleiterbündel auf. Das Versorgungsleiterbündel kann dabei jedes geeignete Versorgungsleiterbündel sein, wie z.B. das Versorgungsleiterbündel eines Drehstromkreises L₁, L₂, L₃, N, oder eines Wechselstromkreises geerdeter Systeme L, N oder eines Wechselstromkreises isolierter Systeme, z.B. L₁, L₂. Die Messung umfasst nicht Ströme, die auf einem eventuell vorhandenen Schutzleiter PE fließen.
• Weiterhin weist die erfindungsgemäße Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM eine Vergleichseinrichtung COMP auf, welche den erkannten (tatsächlichen) Differenzstrom I_d mit vorbestimmten Warnwerten I_w1, I_w2 vergleicht. Bei Erreichen und/oder Überschreiten eines der vorbestimmten Warnwertes I_w1; I_w2 wird mittels einer jedem der vorbestimmten Warnwerte zugeordneten Warneinrichtung ALARM eine jeweilige Warnmeldung auszugeben, wobei mindestens einer der vorbestimmten Warnwerte I_w1; I_w2 mittels einer Einstelleinrichtung SELECT einstellbar ist.
• Durch die Einstellbarkeit zumindest eines Warnwertes oder mehrerer Warnwerte kann erreicht werden, dass auch Differenzstromschaltvorrichtung RCD mit höheren Toleranzen zuverlässig vorgewarnt werden können. Zudem erlaubt die flexible Einstellbarkeit für verschiedene Nenndifferenzströme, für die eine jeweilige Differenzstromschaltvorrichtung RCD einsetzbar ist, die Anzahl von verschiedenen Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM zu minimieren und somit eine kostengünstige Produktion zu erlauben. Somit kann nun zuverlässiger als zuvor eine frühzeitige Warnung bereitgestellt werden und somit ungeplante Standzeiten vermieden werden.
• In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM einen Messwandler W zur Wandlung des Differenzstromes I_d auf. Hierdurch kann z.B. eine Strom-Spannungswandlung vorgesehen sein, sodass in einer nachfolgenden Auswertung in der Vergleichseinrichtung COMP z.B. nur Spannungspotentiale verglichen werden. Somit können kostengünstige Schaltungen zum Einsatz kommen, die zugleich eine hohe Präzision zur Verfügung stellen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM zusammen mit einer Differenzstromschaltvorrichtung RCD am gleichen Versorgungsleiterbündel L₁, L₂, L₃, N betrieben. Dabei kann die Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM auch zusammen mit einer Differenzstromschaltvorrichtung RCD in einem Gehäuse bereitgestellt sein. Bei Eintreten eines Differenzstromes I_rcd über einen vorbestimmten Wert eine Abschaltung des überwachten Versorgungsleiterbündels L₁, L₂, L₃, N veranlasst, wobei die vorbestimmten Warnwerte I_w1; I_w2 geringer als der Wert des Stromes ist, der zu einer Abschaltung des überwachten Leiterbündels L₁, L₂, L₃, N führt. Die Differenzstromschaltvorrichtung RCD kann nun in gleicher Weise über eine Vergleichseinrichtung COMP_RCD und einen eventuelle Messwandler W verfügen.
• Obwohl diese Vergleichseinrichtungen als auch der Messwandler als getrennte Einheiten in 1 gegenüber vergleichbaren Einrichtungen der Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM dargestellt sind, muss diese logische Trennung nicht auch physikalisch wiedergespiegelt sein.
• In einer Ausführungsform der Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM ist weiterhin eine Anzeigeeinrichtung DIS zum Anzeigen eines aktuell gemessenen Differenzstromes I_d vorgesehen. Hierdurch kann eine direkte Kontrolle bereitgestellt werden.
• In einer weiteren Ausführungsform der Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM ist weiterhin ein Messwertspeicher MEM zur Speicherung vergangen gemessener Differenzströme I_d vorgesehen. Beispielsweise kann der maximal gemessen Differenzstrom gespeichert werden oder aber eine Reihe von vergangenen Messwerten, z.B. aus einem bestimmten Zeitintervall. Zudem ist es möglich dass den einzelnen gespeicherten Messwerten auch ein Zeitstempel zugeordnet ist, der entweder ableitbar oder ebenfalls gespeichert ist, sodass die Auswertung erleichtert wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Messwert oder die Messwerte mittels einer geeigneten Schnittstelle IO ausgelesen werden können. Zudem kann vorgesehen sein, dass der eine gespeicherte Messwert, einzelne oder alle gespeicherten Messwerte mittels einer Anzeigeeinrichtung DIS angezeigt werden, wobei wiederum es vorgesehen sein kann, dass neben dem vergangen gemessenen Differenzstromes I_d auch eine zeitliche Zuordnung, z.B. ein Zeitstempel, zeitgleich oder im Wechsel angezeigt wird.
• Besonders vorteilhaft kann die Anzeigeeinrichtung DIS ein EPaper-Display sein. In diesem Fall wird unabhängig von einer Energieversorgung die letzte Anzeige erhalten, sodass z.B. eine letzter Messwert und/oder ein letzte zeitliche Zuordnung noch angezeigt wird, wodurch z.B. eine nachfolgende Fehlersuche vereinfacht wird.
• Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM eine Fernmeldeeinrichtung IO zur Weitergabe von Warnmeldungen und/oder eines aktuell gemessenen Differenzstromes I_d aufweist. Hierdurch wird die Fernwartbarkeit von Anlagen verbessert und eine Warnmeldung kann z.B. an einen entfernten Techniker weitergegeben werden, sodass nunmehr zügig ein eventuell vorhandener Fehler, der zu einem Fehlerstrom geführt hat, behoben werden kann. Beispielsweise kann die Schnittstelle als eine drahtgebundene Schnittstelle (z.B. Feldbus, Ethernet, Interbus, USB, etc.) und/oder eine drahtlose Schnittstellen (Bluethooth, WLAN, etc.) ausgestaltet sein.
• D.h. in der erfindungsgemäßen Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM ist eine Eingabemöglichkeit für den Nennfehlerstrom z.B. einer zu überwachenden Differenzstromschaltvorrichtung RCD vorgesehen. Dabei kann nun zusätzlich eine untere Toleranz des Nennfehlerstromes ∆I_rcd,N der Differenzstromschaltvorrichtung RCD eingegeben werden (sogenannte maximale Minustoleranz) oder diese Toleranz kann beispielsweise auch nach normativer Vorgabe fest eingestellt sein.
• Dabei kann nun ein Vergleich des tatsächlichen Fehlerstrom I_d mit dem Nennfehlerstromes I_rcd,N vorgenommen werden. Die Auswertung kann dabei analog oder digital vorgenommen werden, wobei die entsprechende Vergleichseinrichtung COMP entsprechend eingerichtet ist.
• Bei einer digitalen Auswertung kann z.B. wie in 2 gezeigt der Wert des minimalen Auslösestromes I_rcd,N der zu überwachenden Differenzstromschaltvorrichtung RCD als Vergleichsgröße auf alle Komparatoren der verschiedenen Eskalationsstufen gegeben werden. Der an der Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM gemessene Ist-Wert der aktuellen Summenstromdifferenz I_d wird als Vergleichswert dem Komparator / den Komparatoren COMP zugeführt. In Abhängigkeit der den Eskalationsstufen zugeordneten Summenstromdifferenzen können die einzelnen Komparatoren Aktivierungssignale, z.B. für potenzialfreie Kontakte, zur Meldung mittels der Warneinrichtung ALARM bereitstellen.
• Beispielsweise kann der minimale Auslösestromes I_rcd,N der zu überwachenden Differenzstromschaltvorrichtung RCD mit Faktoren A, B,...X verarbeitet werden, um entsprechende Warnschwellen in Abhängigkeit des eingestellten minimalen Auslösestromes I_rcd,N bereitzustellen. Jeder dieser hierdurch erzeugte Wert kann dann mit der aktuellen Summenstromdifferenz I_d verglichen werden. Dies kann zum einen sequentiell geschehen, oder aber parallel. Beispielsweise kann es für kostengünstige Einrichtungen genügen solche Warnschwellen zyklisch sequentiell mit einer einzigen Vergleichseinrichtung zu prüfen, wobei jeder Prüfung entsprechend den Faktoren A, B...X ein anderer Vergleichswert zu Grunde gelegt wird, oder aber es erfolgt eine parallele Prüfung, sodass z.B. auch überprüft werden kann, ob z.B. alle tieferliegenden Warnschwellen ebenfalls einen Alarm auslösen oder nicht. Ist dies nicht der Fall liegt möglicherweise ein Gerätefehler vor, der umgehend überprüft werden sollte.
• Bei einer analogen Auswertung kann der analoge Differenzwert des minimalen Auslösestromes I_rcd,N mit dem von der Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM bereitgestellten aktuellen Istwert I_d verglichen und als analoges Signal ausgegeben werden. Beispielsweise kann der aktuelle Istwert I_d sequentiell mit Stromwerten vergleichen werden, die entsprechenden Warnschwellen entsprechen, wobei z.B. zunächst gegenüber einer hohen Schwelle, die z.B. der maximalen Minustoleranz ∆I_rcd,N oder darunter entspricht, verglichen wird und nachfolgend hin zu kleineren Warnschwellen. Dies kann z.B. als Funktion Y implementiert sein, bei der durch geeignete Beschaltung beispielsweise der aktuelle Istwert I_d z.B. in Bezug zu der (eingegebenen) maximalen Minustoleranz ∆I_rcd,N oder zu anderen hieraus abgeleiteten Stromwerten gesetzt wird.
• Sowohl der aktuelle Istwert I_d als auch der Vergleich mit einem Stromwert kann mittels eine Messwandlers in ein gleichwertiges Signal umgesetzt werden. Vorzugsweise wird hierfür ein normiertes Signal genutzt, z.B. 0–10 V oder 4–20 mA verwendet, wie in 2 gezeigt.
• Dieses Analogsignal kann etwa über den Analogeingang eines Automatisierungssystems zur individuellen Weiterverarbeitung zugeführt werden. In diesem Fall können die Anlagenspezifischen Eskalationsstufen lokal als auch mittels Software und gegebenenfalls auch aus der Ferne einstellbar sein.
• Dabei schließen sich analoge und digitale Auswertung nicht gegenseitig aus, sondern können auch nebeneinander vorgesehen sein.
• Durch die so gewonnenen digitalen oder analogen Signale der verschiedenen Eskalationsstufen können anlagenspezifische Wartungsmaßnahmen aktiviert werden.
• Ohne weiteres können sowohl die so gewonnene Messwerte auch mittels eines Datenloggers, z.B. einer geeignet ausgestallten und in 3 schematisch gezeigten Speichereinrichtung MEM verarbeitet werden.
• Werden die Messwerte über eine Zeitspanne gesammelt (in bestimmten Abständen oder zu bestimmten Ereignissen) kann beispielsweise eine Veränderung des Isolationswiderstandes erkannt werden. Hieraus kann auch ermittelt werden, ob z.B. aus der Art des Anstieges eine bestimmte Fehlerquelle abgeleitet werden kann, wie z.B. steigende Verschmutzung, Nagetier-Verbiss, Feuchtigkeitseinwirkung, Alterung des Isolationsmaterials, usw.). So können z.B. unstetige Veränderungen leichter einer anlagenspezifischen Ursache zugeordnet werden.
• Aus dem Messwert bzw. aus den Messwerten können nun Dringlichkeit und Umfang von Wartungsmaßnahmen abgeleitet werden.
• Anstelle einer einzigen Auswerteeinrichtung COMP wie in 1 gezeigt können auch wie in 2 gezeigt mehrere in ihrem Ansprechverhalten sinnvoll gestaffelte Auswerteeinrichtungen COMP zum Einsatz kommen. Somit stehen im Eskalationsgrad abgestufte potentialfreie Warnsignal-Kontakte zur Verfügung.
• Alternativ oder zusätzlich kann auch ein analoges Signal zur Verfügung gestellt werden.
• Dieses Signal kann in Bezug auf den Differenzstromnennwert mittels eines Messwandlers skaliert sein. So können nachgeschaltete externe, z.B. busvernetzte, Auswerteeinheiten aus den übermittelten Analogwerten prozessgeeignete Eskalationsstufen ableiten.
• Auf diese Weise ist in komplexen Prozessen eine Anlagenbetriebs- und/oder Anlagenverfügbarkeits-angepasste Auswertung möglich.
• Zudem kann wie in 2 gezeigt auch vorgesehen sein, dass das die Differenzstromüberwachungsvorrichtung auch über einen unter diesem Wert liegenden Warnschwellenwert (Voralarm) verfügt. Dieser Wert kann geeignet stufig oder stufenlos einstellbar sein.
• Insofern stellt die Erfindung dem Betreiber einer elektrischen Anlage durch gezielte Ausgabe von selektiv gestaffelten Warnmeldungen ALARM/VORALARM eine Möglichkeit zur Erkennung eines bevorstehenden Auslösens einer anlagenseitig vorhandenen Differenzstromschaltvorrichtung durch einen erhöhten Fehlerstrom, z.B. in Folge einer sich verschlechternden Leiterisolation zur Verfügung.
• Von besonderem Vorteil ist es, dass wenn der exakte Auslösestrom einer zu überwachenden Differenzstromschaltvorrichtung RCD bekannt ist (z.B. indem er geeignet durch Messung ermittelt wurde) die jeweiligen Schwellwerte an der Differenzstromüberwachungsvorrichtung RCM präzise und spezifisch für jede zu überwachende Differenzstromschaltvorrichtung RCD eingestellt werden können. So kann z.B. der maximale Warnwert entsprechend dem exakten Auslösestrom bzw. leicht darunter gewählt werden, während weiter Warnwerte tiefer, z.B. prozentual von diesem Auslösestrom, gewählt werden, um so Vorwarnungen ausgeben zu können.
• Bezugszeichenliste

• RCM

  Differenzstromüberwachungsvorrichtung

  S

  Differenzstrommesseinrichtung

  I_d

  (tatsächlicher) Differenzstrom

  N

  Versorgungsleiterbündel L₁, L₂, L₃,

  COMP, COMP_RCD

  Vergleichseinrichtung

  I_w1, I_w2

  Warnwert

  ALARM

  Warneinrichtung

  SELECT

  Einstelleinrichtung

  W

  Messwandler

  RCD

  Differenzstromschaltvorrichtung

  I_rcd

  Differenzstrom

  DIS

  Anzeigeeinrichtung

  MEM

  Messwertspeicher

  IO

  Fernmeldeeinrichtung

  Y

  Analogsignal

  I_rcd,N

  Nennfehlerstrom des RCD

  ∆I_rcd,N

  Maximale Minustoleranz des Nennfehlerstromes des RCD

  F

  Faktor zur Auswahl der Eskalationsstufen

  A

  Eskalationsstufe mit dem größten Faktor (Wert < 1)

  B

  Eskalationsstufe mit dem zweitgrößten Faktor (Wert < A)

  X

  Eskalationsstufe mit dem kleinsten Faktor

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• DIN EN 62020:2005-11 [0004]

Claims (8)

1. Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCM), aufweisend eine Differenzstrommesseinrichtung (S) zur Erkennung eines Differenzstromes (I_d) eines Versorgungsleiterbündels (L₁, L₂, L₃, N; L₁, N; L₁, L₂), eine Vergleichseinrichtung (COMP), welche den erkannten Differenzstrom mit vorbestimmten Warnwerten (I_w1, I_w2) vergleicht, und bei Erreichen und/oder Überschreiten eines der vorbestimmten Warnwerte (I_w1; I_w2) mittels einer jedem der vorbestimmten Warnwerte zugeordneten Warneinrichtung (ALARM) eine jeweilige Warnmeldung auszugeben, wobei mindestens einer der vorbestimmten Warnwerte (I_w1; I_w2) mittels einer Einstelleinrichtung (SELECT) einstellbar ist.
2. Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCM) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCM) einen Messwandler (W) zur Wandlung des Differenzstromes (I_d) aufweist.
3. Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCM) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCM) zusammen mit einer Differenzstromschaltvorrichtung (RCD) am gleichen Versorgungsleiterbündel (L₁, L₂, L₃, N) betrieben wird, wobei bei Eintreten eines Differenzstromes (I_rcd) über einen vorbestimmten Wert eine Abschaltung des überwachten Versorgungsleiterbündels (L₁, L₂, L₃, N) veranlasst wird, wobei die vorbestimmten Warnwerte (I_w1; I_w2) geringer als der Wert des Stromes ist, der zu einer Abschaltung des überwachten Leiterbündels (L₁, L₂, L₃, N) führt.
4. Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCM) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCM) und die Differenzstromschaltvorrichtung (RCD) in einem Gehäuse vereint sind.
5. Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Anzeigeeinrichtung (DIS) zum Anzeigen eines aktuell gemessenen Differenzstromes (I_d) vorgesehen ist.
6. Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Messwertspeicher (MEM) zur Speicherung vergangen gemessener Differenzströme (I_d) vorgesehen ist, und dass weiterhin eine Anzeigeeinrichtung (DIS) zum Anzeigen zumindest eines vergangen gemessenen Differenzstromes (I_d), insbesondere mit einer zeitlichen Zuordnung, vorgesehen ist.
7. Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCD) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinrichtung (DIS) ein EPaper-Display ist.
8. Differenzstromüberwachungsvorrichtung (RCM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Fernmeldeeinrichtung (IO) zur Weitergabe von Warnmeldungen und/oder eines aktuell gemessenen Differenzstromes (I_d) vorgesehen ist.

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