DE102015100399A1

DE102015100399A1 - Anordnung bestehend aus einer Schmelzsicherung und einer an der Schmelzsicherung angeordneten Messeinrichtung sowie Messeinrichtung

Info

Publication number: DE102015100399A1
Application number: DE102015100399.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gräf
Original assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Berlin
Current assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Berlin
Priority date: 2015-01-13
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2016-07-14
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: WO2016113245A1; DE102015100399B4

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Anordnung mit einer elektrischen Sicherungseinrichtung und einer an der Sicherungseinrichtung (21, 31, 41) angeordneten Messeinrichtung (21, 41), die Messeinrichtung (21, 41) aufweisend: einen Thermogenerator (2), der konfiguriert ist, thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, einen Messsensor (4), der mit dem Thermogenerator (2) elektrisch gekoppelt ist, derart, dass der Messsensor (4) mit von dem Thermogenerator (2) erzeugter elektrischer Energie betreibbar ist, und der konfiguriert ist, einen Messwert zu bestimmen, und ein Gehäuse (1), das den Messsensor (4) umgibt. Des Weiteren betrifft die Anmeldung eine Messeinrichtung zum Bestimmen eines Messwerts in einer elektrischen Sicherungseinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer elektrischen Sicherungseinrichtung und einer an der Sicherungseinrichtung angeordneten Messeinrichtung sowie eine Messeinrichtung.
Hintergrund
Das Grundprinzip der Funktion von Sicherungen ist seit mehr als einhundert Jahren bekannt. Dabei soll das Aufschmelzen einer Engstelle innerhalb der Strombahn nachfolgende Betriebsmittel vor Überlast und Kurzschluss schützen. Das Verhalten der Sicherung beruht darauf, eine Engstelle der Strombahn gezielt zum Schmelzen zu bringen, den dabei auftretenden Lichtbogen zu kühlen, um einen Kurzschlussstrom in seiner Höhe zu begrenzen und auch um Überströme abzuschalten. Dabei ist es wichtig, dass ein adiabater Wärmeaustausch mit dem das Schmelzleitersystem kühlenden Sand stattfindet, da ansonsten keine gezielte und zeitlich definierte Abschmelzung und damit Abschaltung zustande kommt. Vielmehr kann sich die Sicherung dabei unzulässig erwärmen, da dieser Zustand des „schleichenden Abschmelzens“ sich über einen längeren Zeitraum erstrecken kann.
Da die Sicherung von Hause aus schon eine Engstelle für den Stromfluss darstellt, entsteht in ihr eine Verlustleistung, die über die Anschlusskontakte und die Isolierstoffoberfläche der Sicherung abgegeben werden muss. Für den Nennstrom der Sicherung I_n und vollständig intaktem Schmelzleitersystem und bei Beachtung der durch den Sicherungshersteller bzw. in der einschlägigen Norm vorgegebenen Einbausituation kann diese dauerhaft betrieben werden. Dazu muss jedoch die geeignete Sicherung mit dem richtigen Nennstrom und den entsprechenden charakteristischen Eigenschaften ausgewählt und richtig eingebaut werden. Bei allen Anforderungen zum Einsatz von Sicherungen können z B. einige Fehler bei der Nutzung herbeigeführt werden.
So können durch den Anwender Fehler in Form einer falsch herum eingesetzten Sicherung in den Sicherungshalter verursacht sein, so dass die Sicherung den Übernahmestrom führenden Lasttrennschalter nicht auslöst. Ein schlechter Kontakt bzw. Übergangswiderstand kann zustande kommen oder beim Auftreten eines Kurzschlussstromes und dem Auslösen einer oder zwei der drei eingesetzten Sicherungen im Drehstromsystem werden nur die offensichtlich durchgeschmolzenen Sicherungen durch den Anlagenbetreiber ausgetauscht.
Beim letzten Aspekt, dem Auftreten von Kurzschlüssen, können systembedingt bei einem dreipoligen Kurzschluss in der Energieverteilung lediglich zwei Sicherungen auslösen. Die nicht ausgelöste Sicherung kann jedoch eine Anschmelzung innerhalb des Schmelzleitersystems erfahren haben, dass von außen nicht sichtbar ist. Im weiteren Betrieb ist dann die Verlustleistung der Sicherung über den verbliebenen Schmelzleitern höher, so dass es zu einer höheren Betriebstemperatur in der Sicherung und deren Umgebung kommt, die zu einem Folgeschaden führen kann.
Im Bereich der Hochspannungs- bzw. Mittelspannungstechnik werden für den Kurzschluss- und Überlastschutz vor allem im Bereich der Verteilnetzebene kostengünstige Schaltgeräte eingesetzt. Dazu zählen Hochspannungshochleistungssicherungen (HH-Sicherung). Diese Sicherungen sind durch eine Sicherungskennlinie in ihrer Eigenschaft so beschrieben, dass diese entsprechend Kurzschluss- und Überströme abschalten können. Dabei gibt die Sicherungskennlinie eine Strom-Zeit-Charakteristik wieder, die die Abschaltung der Sicherung in Abhängigkeit des fließenden Stromes und der Zeitdauer beschreibt. Die dabei in einem Schmelzleiter, der aus mehreren Teilleitern bestehen kann, umgesetzte Energie ist von entscheidender Bedeutung für die sichere Abschaltung des Kurzschluss- bzw. Überstromes.
Sofern das Aufschmelzen aller Teilleiter nicht vollständig erfolgt, bleibt eine Strombahn bestehen, die den gewöhnlichen Bemessungs-Strom I_n der Sicherung führen kann. Allerdings besteht dabei die Gefahr, dass die Sicherung aufgrund des nunmehr reduzierten Leiterquerschnitts sich unzulässig erwärmt. Diese Erwärmung nimmt zu, je mehr Schmelzleiter unterbrochen sind.
Eine ähnliche Erwärmung innerhalb der Sicherung tritt auf, wenn der Strom durch die Sicherung lediglich bis zum 3,5-fachen des Nennstroms beträgt. Dies kann zu Temperaturen führen, die den keramischen Körper der Sicherung aufschmelzen lässt (T > 950°C), was wiederum erhebliche Folgeschäden an den Schaltanlagen durch Brände und Teilexplosionen nach sich zieht. Hierzu sind in der Vergangenheit immer wieder entsprechende Schadensberichte aufgetaucht.
Die Problematik des Aufschmelzens von Teilleitern kann verursacht sein durch:

– ein Windungsschluss in einem Transformator verursacht einen langandauernden Fehlerstrom,
– der nachfolgende Transformator wird erheblich über seiner Leistungsgrenze betrieben,
– eine zu niedrige Zuordnung der Sicherung zum zugehörigen Transformator gewählt,
– Sicherungen schalten einen Fehlerstrom unterhalb des minimalen Ausschaltstromes,
– infolge Gewittereinwirkung wird durch Auftrennen einzelner Schmelzleiter die Stromtragfähigkeit reduziert,
– unzulässig hohe Temperatur durch Entladung oder mangelhafte Kontaktierung wird an den Sicherungseinsatz herangebracht,
– unzureichende Wärmeabfuhr in die Umgebung,
– wiederholte pulsförmige Strombelastung des Sicherungseinsatzes mit Anschmelzen des Schmelzleitersystems z.B. beim Einschalten von Motoren,
– zyklische, impulsförmige Belastung bei der Einspeisung von Windkraftanlagen.

Eine Schutzeinrichtung gegen eine thermische Überlastung einer Schaltanlage mit einem Transformator ist aus dem Dokument EP 0 980 086 A1 bekannt. Eine HH-Sicherung öffnet beim Überschreiten eines bestimmten Leistungsaufnahmewertes einen Transformatorschalter.
Das Dokument DE 10 2014 101 156 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Messwerts, beispielsweise einer Temperatur, in einer Hochspannungsanlage.
Zusammenfassung
Aufgabe ist es, verbesserte Technologien zur Überwachung von Sicherungen anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Anordnung nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie die Messeinrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 9 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Nach einem Aspekt ist eine Anordnung mit einer elektrischen Sicherungseinrichtung und einer an der Sicherungseinrichtung angeordneten Messeinrichtung bereitgestellt. Die Messeinrichtung weist folgende Komponenten auf: einen Thermogenerator, der konfiguriert ist, thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, einen Messsensor, der mit dem Thermogenerator elektrisch gekoppelt ist, derart, dass der Messsensor mit von dem Thermogenerator erzeugter elektrischer Energie betreibbar ist, und der konfiguriert ist, einen Messwert zu bestimmen, und ein Gehäuse, das den Messsensor umgibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Messeinrichtung geschaffen, aufweisend einen Thermogenerator, der konfiguriert ist, thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, einen Messsensor, der mit dem Thermogenerator elektrisch gekoppelt ist, derart, dass der Messsensor mit von dem Thermogenerator erzeugter elektrischer Energie betreibbar ist, und der konfiguriert ist, einen Messwert zu bestimmen, und einem Gehäuse, das den Messsensor umgibt, wobei das Gehäuse ein elektrisch halbleitendes Material oder ein elektrisch nicht leitendes Material enthält.
Alternativ kann das Gehäuse ein elektrisch hoch leitfähiges Material enthalten oder hieraus gebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass der Thermogenerator in dem Gehäuse angeordnet und von diesem umgeben ist. Alternativ kann der Thermogenerator in einem weiteren Gehäuse angeordnet sein, sodass er von dem weiteren Gehäuse umgeben ist.
Das Gehäuse kann angepasst sein, die dielektrischen Eigenschaften der elektrischen Sicherungseinrichtung nicht zu beeinflussen. Die Konfiguration des Gehäuses, welches die Komponenten der Messeinrichtung umgibt, führt dazu, dass der Einbau der Messeinrichtung in die elektrische Sicherungseinrichtung keinen messbaren Einfluss auf die Eigenschaften der Sicherungseinrichtung hat. Das Gehäuse hat insbesondere keinen Einfluss auf das Verhalten der Sicherungseinrichtung beim Abschalten.
Als Messwerte können beispielsweise eine Temperatur, eine Feuchtigkeit, ein Gasdruck, ein Gas und / oder eine Lichtausstrahlung bestimmt werden. Der Messsensor kann als ein Temperatursensor, ein Feuchtesensor, ein Gasdrucksensor, ein Gassensor und / oder ein Lichtsensor ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann der Messsensor konfiguriert sein, Strahlung jeglicher Art zu erfassen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, mehrere Messsensoren in dem Gehäuse anzuordnen, welche konfiguriert sind, eine oder mehrere der vorgenannten Messungen ausführen. Die mehreren Messsensoren können vernetzt sein und parallel Messwerte bestimmen.
Die Anordnung erlaubt es beispielsweise, den thermischen Zustand einer Hochleistungssicherung zu überwachen, sodass ein Versagen der Sicherung mit hohen Folgeschäden und -kosten vermieden werden kann.
Der Thermogenerator ist konfiguriert, Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Thermogenerator kann entweder zwei verschiedene Metalle (Ausnutzung des Seebeck-Effekts) oder zwei verschiedene Halbleitermaterialien (Ausnutzung des Peltier-Effekts) aufweisen. Eine Temperaturdifferenz von wenigen Kelvin zwischen den beiden verschiedenen Materialien ist ausreichend, um eine Thermospannung von einigen Millivolt (mV) zu erzeugen. Die Temperaturdifferenz kann beispielsweise erzielt werden, indem eine Seite des Thermogenerators in Kontakt mit der sich erwärmenden elektrischen Sicherungseinrichtung ist, z.B. in direktem Kontakt, und eine andere Seite des Thermogenerators durch kühlende, vorbeiströmende Luft umgeben ist. Die Kühlluft kann für den Betrieb der Sicherung erforderlich sein. Die andere Seite des Thermogenerators kann mittels eines vorbeiströmenden Fluids (ein Gas oder eine Flüssigkeit) gekühlt werden. Das Fluid kann elektrisch isolierend sein. Der Thermogenerator kann konfiguriert sein, Temperaturen im Bereich von –30°C bis zu 180°C zu erfassen. Der Thermogenerator kann weiterhin konfiguriert sein, eine elektrische Spannung im Bereich von 2 mV bis zu 1,5 V zu erzeugen.
Es kann vorgesehen sein, mehrere Thermogeneratoren in das Gehäuse zu integrieren. Alternativ können mehrere Thermogeneratoren in jeweils eigenen, voneinander getrennten Gehäusen angeordnet sein. Die mehreren Thermogeneratoren können beispielsweise in Reihe geschaltet sein, um die erzeugte Spannung zu erhöhen.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, einen DC-DC-Wandler (auch DC Booster oder Aufwärtswandler genannt) innerhalb des Gehäuses anzuordnen. Der DC-DC-Wandler kann konfiguriert sein, eine (kleine) Eingangsspannung zu einer höheren Ausgangsspannung zu transformieren. Beispielsweise kann eine von dem Thermogenerator zur Verfügung gestellte Eingangsspannung von wenigen mV zu einer Ausgangsspannung von 1,5 V transformiert werden. Es kann vorgesehen sein, einen Widerstand vor den DC-DC-Wandler zu schalten, um die Eingangsspannung zu begrenzen. Dies kann erforderlich sein, wenn die Temperaturdifferenz sehr hoch ist und / oder mehrere Thermogeneratoren eingesetzt werden.
Die Messeinrichtung kann auf einer Oberfläche der Sicherungseinrichtung angeordnet sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Sicherungseinrichtung einen runden Querschnitt hat, das Gehäuse ringförmig ist und das Gehäuse mit der Messeinrichtung die Oberfläche der Sicherungseinrichtung umschließend auf der Sicherungseinrichtung angeordnet ist. Das Gehäuse kann eine Höhe von höchsten 9 mm haben. Das Gehäuse kann die Abmessungen der Sicherungseinrichtung angepasst werden. Üblicherweise sind die Abmessungen der Sicherungen normiert, sodass die Größe des Gehäuses an die verschiedenen normierten Größen anpassbar ist. Das Gehäuse kann mittels eines magnetischen Elements, beispielsweise eines Permanentmagneten, an der Oberfläche der Sicherungseinrichtung lösbar befestigt sein.
Das Gehäuse kann zweiteilig oder mehrteilig gebildet sein. Dies ermöglicht ein Nachrüsten der Messeinrichtung an einer bestehenden Sicherung.
Alternativ kann die Messeinrichtung innerhalb der Sicherungseinrichtung angeordnet sein. Die Messeinrichtung kann in bestehende Sicherungen einbaufähig sein.
Das Gehäuse kann ein elektrisch halbleitendes Material enthalten, beispielsweise einen Kunststoff oder ein Kunststoffderivat. In einer Ausführungsform kann das Gehäuse aus einem halbleitenden Material bestehen.
Das Gehäuse kann auch so gestaltet sein, dass sich gegenüberliegende Flächen jeweils formschlüssig an benachbarte Flächen anschließen. Das Gehäuse kann aus einem hochwärmeleitendem Kunststoff, einem keramischen Werkstoff oder aus Metall bestehen. Das Gehäuse kann so gestaltet sein, dass es aus mehreren Teilkomponenten besteht. Die Teilkomponenten können aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Das Gehäuse darf die Sicherungseinrichtung nur dann umfassen, wenn das Gehäuse nicht einen geschlossenen metallischen Ring bildet.
Das Gehäuse kann ein thermisch hoch leitendes Material enthalten. Das Gehäuse kann derart ausgestaltet sein, dass es ein Aussenden und Übertragen von Signalen ermöglicht.
Es kann vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung einen Prozessor aufweist, der konfiguriert ist, bei Überschreiten eines vorbestimmten Messwerts einen Schlagstift der Sicherungseinrichtung auszulösen. Des Weiteren kann eine Auslöseeinrichtung zum Auslösen des Schlagstifts vorgesehen sein. Die Auslöseeinrichtung kann von der Messeinrichtung separat gebildet sein, beispielsweise in einem eigenen Gehäuse. Der Prozessor kann mit der Auslöseeinrichtung datentechnisch gekoppelt sein, kabelgebunden oder kabellos. Die Auslöseeinrichtung kann direkt am oder in der Nähe des Schlagstifts angeordnet sein. Die Messeinrichtung kann an der Stelle der Sicherungseinrichtung angeordnet sein, wo eine Überwachung eines Messwerts, beispielsweise der Temperatur, als relevant erachtet wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann das Gehäuse eine Übertragungseinrichtung umgeben, welche konfiguriert ist, den von dem Messsensor bestimmten Messwert an eine Empfangseinrichtung zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise drahtlos erfolgen. Die Übertragungseinrichtung kann mit dem Thermogenerator gekoppelt sein, sodass sie von dem Thermogenerator mit elektrischer Energie versorgt wird.
Die Übertragungseinrichtung kann konfiguriert sein, den Messwert mit einem hochfrequenten Funksignal an eine Empfangseinrichtung zu übertragen, beispielsweise mit einer Frequenz von mehr als 100 MHz. Geeignete Funkfrequenzen sind beispielsweile 305 MHz, 868 MHz und 902 MHz. Andere Frequenzen sind ebenfalls möglich, sofern diese eine Übertragung als Funksignal erlauben. Die Verwendung eines hochfrequenten Funksignals ermöglicht den Einsatz der Messeinrichtung in einer offenen oder geschlossenen elektrischen Anlage mit einer oder mehreren Sicherungseinrichtungen. Das Funksignal wird bei einer geschlossenen Anlage von dem Anlagengehäuse gedämpft, tritt aber mit ausreichender Stärke aus dem Anlagengehäuse aus. Das Funksignal hat beispielsweise eine Reichweite von etwa 1,5 m bis zu einigen Metern. Innerhalb dieser Reichweite kann die Empfangseinrichtung (außerhalb der Anlage) angeordnet sein, welche das Funksignal empfängt. Die Übertragungseinrichtung kann beispielsweise als ein Funkmodul der Firma EnOcean ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend können andere Funkstandards verwendet werden. Es kann vorgesehen sein, dass das Funksignal verschlüsselt ist. Die Empfangseinrichtung kann konfiguriert sein, das empfangene Funksignal zu verarbeiten und ggf. (kabelgebunden oder drahtlos) an eine Auswerteeinrichtung zu übertragen, beispielsweise einen Computer, einen Server oder eine andere zur Datenverarbeitung eingerichtete Einrichtung. Die Funksensorik kann so gestaltet sein, dass sich ein Funksensornetzwerk einstellt, das die gesendeten Daten über benachbarte Sensoren weiterleitet. Damit kann die Funkreichweite und die Anzahl der Messstellen erweitert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass mehrere Messeinrichtungen jeweils mit einer Übertragungseinrichtung gebildet sind, wobei die Übertragungseinrichtungen die Funksignale an eine gemeinsame Empfangseinrichtung übertragen. Beispielsweise können an mehreren Sicherungseinrichtungen jeweils eine (oder mehrere) Messeinrichtungen zur Messdatenerfassung angeordnet sein, welche die Signale an die gemeinsame Empfangseinrichtung übertragen, welche innerhalb des Senderadius der Übertragungseinrichtungen aufgestellt ist.
Es kann vorgesehen sein, den Messwert vor der Übertragung in einen digitalen Wert umzuwandeln, beispielsweise mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung, die im Gehäuse angeordnet ist. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann ebenfalls von dem Thermogenerator mit elektrischer Energie versorgt werden.
Die Geometrie des Gehäuses, insbesondere dessen Abmessungen, kann an eine Form des elektrischen Betriebsmittels angepasst sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Seite (z.B. die Unterseite) des Gehäuses an die Oberfläche der elektrischen Sicherungseinrichtung angepasst ist, sodass beispielsweise ein formschlüssiger Kontakt zwischen dem Gehäuse und der Sicherungseinrichtung gebildet ist. Das Gehäuse kann an die jeweilige Einsatzumgebung angepasst werden, beispielsweise an die Abmessungen der elektrischen Sicherungseinrichtung.
Nach einer Ausführungsform kann das Gehäuse zumindest abschnittsweise eine glatte Oberfläche aufweisen. Die Oberfläche kann beispielsweise geschliffen sein. Es kann vorgesehen sein, dass die vollständige Oberfläche des Gehäuses glatt ist, beispielsweise geschliffen oder poliert.
Eine andere Ausführungsform des Gehäuses kann eine zumindest abschnittsweise oder vollständig mikrotexturierte Oberfläche haben, die sich durch ein optimiertes Wärmeabstrahlverhalten auszeichnet.
Das Gehäuse kann mit abgerundeten Kanten gebildet sein. Die Vermeidung von spitzen Kanten und Ecken an dem Gehäuse kann dazu führen, dass das Ausbilden von Feldspitzen in dem elektrischen Feld unterdrückt wird.
Das Gehäuse kann vollständig geschlossen sein. Bei der Verwendung eines hochfrequenten Funksignals kann das Funksignal auch aus einem geschlossenen Gehäuse austreten. Alternativ kann das Gehäuse mit einer Aussparung gebildet sein, die beispielsweise vergossen ist. Eine Aussparung in dem Gehäuse kann den Austritt eines Funksignals erleichtern.
Das Gehäuse kann mittels eines oder mehrerer Befestigungsmittel an der elektrischen Sicherungseinrichtung befestigt sein. Die Befestigung kann beispielsweise als eine Klemmverbindung oder eine Schraubverbindung bereitgestellt werden. Alternativ oder ergänzend kann das Gehäuse mittels eines Klebemittels oder einer hochwärmeleitfähigen Folie, beispielsweise einer Wärmeleitpaste oder einer Wärmeleitfolie, an der Sicherungseinrichtung befestigt sein. Es kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse formschlüssig in die Oberfläche der elektrischen Sicherungseinrichtung eingelassen ist.
Die Messeinrichtung kann beispielsweise als RFID-Tag bereitgestellt werden (RFID – radiofrequency identification).
In einer Ausführungsform ist die Messeinrichtung frei von einer Batterie und/oder einem Akkumulator. Es kann vorgesehen sein, einen Kondensator als Puffer zu bilden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Übertragungseinrichtung, der DC-DC-Wandler und / oder die Datenverarbeitungseinrichtung in dem weiteren Gehäuse angeordnet sind (und nicht in dem Gehäuse). Für das weitere Gehäuse gelten die in der Beschreibung und den Figuren offenbarten Merkmale betreffend das Gehäuse analog.
Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Weitere beispielhafte Ausführungsformen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Darstellung einer Messeinrichtung,
2 eine Darstellung einer Sicherungseinrichtung mit einer Messeinrichtung,
3 eine Darstellung einer Anlage mit mehreren Messeinrichtungen,
4 eine weitere Darstellung einer Sicherungseinrichtung mit einer Messeinrichtung,
5 eine weitere Darstellung einer Sicherungseinrichtung mit einer Messeinrichtung,
6 eine Ausführungsform, bei der die Komponenten der Messeinrichtung in verschiedenen Gehäusen angeordnet sind,
7 eine HH-Sicherung mit Schlagstift und Schmelzaktivator,
8 Temperaturwerte einer herkömmlichen HH-Sicherung und einer HH-Sicherung mit Schmelzaktivator,
9 eine weitere Darstellung einer Sicherungseinrichtung mit einer Messeinrichtung und
10 einen Querschnitt der Anordnung nach 9.
In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung mit einem Gehäuse 1, das einen Thermogenerator 2, einen DC-DC-Wandler 3, einen Messsensor 4 und eine Übertragungseinrichtung 5 umgibt. Der Messsensor 4 ist in dieser Ausführungsform ein Temperatursensor. Die Übertragungseinrichtung 5 ist ein Funkmodul zum drahtlosen Übertragen der Messergebnisse an eine Empfangseinrichtung 6. Die Übertragung erfolgt mittels eines hochfrequenten Funksignals. Der Thermogenerator 2 ist konfiguriert, thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Thermogenerator 2 erzeugt eine Spannung von einigen Millivolt (mV). Die erzeugte Spannung wird als Eingangssignal in den DC-DC-Wandler 3 eingegeben, welcher die Eingangsspannung zu einer Ausgangsspannung von 1,5 V transformiert. Mit dieser Ausgangsspannung werden sowohl der Messsensor 4 als auch die Übertragungseinrichtung 5 mit elektrischer Energie versorgt. Des Weiteren kann eine Datenverarbeitungseinrichtung, z.B. ein Mikrochip, mit der Ausgangsspannung versorgt werden (nicht dargestellt). Mittels der Datenverarbeitungseinrichtung werden die ermittelten Messwerte digitalisiert bevor sie per Funk übertragen werden. Die Daten (Messwerte) können auch verschlüsselt übertragen werden.
In 2 ist eine Anordnung mit einer Schmelzsicherung 20 und einer auf der Oberfläche der Sicherung 20 angeordneten Messeinrichtung 21 dargestellt. Die Schmelzsicherung kann einen Schlagstift ausweisen (nicht dargestellt). Die Messeinrichtung kann einen Prozessor aufweisen, der konfiguriert ist, bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur den Schlagstift auszulösen.
Die im Betrieb der Sicherung entstehende Verlustleistung muss von der Sicherung in Form von Wärme abgegeben werden. Diese Abwärme wird genutzt, um einen Thermogenerator zu betreiben, der wiederum eine Temperaturmesselektronik versorgt. Diese Messelektronik erfasst die Temperatur an der Sicherungsoberfläche und meldet per Funkübertragung den digital gewandelten Wert an eine außerhalb der Schaltanlage befindliche Auswerteeinheit, die gleichzeitig die Möglichkeit besitzt, die Temperaturwerte auszuwerten und zu kategorisieren. Die Kategorisierung erfolgt in die Bereiche „Normal“, „Temperaturdrift findet statt“ und „Übertemperatur mit der Gefahr des Folgeschadens“. Die Kategorie „Übertemperatur mit der Gefahr des Folgeschadens" kann automatisch zur Abschaltung der Schaltanlage und zu einer weiteren Meldung an den Anlagenbetreiber der Anlage führen. In Folge dessen hat dieser alle drei Sicherungen der Schaltanlage auszuwechseln. Die Auswerteeinheit ist in der Lage, drei Sicherungen gleichzeitig zu überwachen.
Die Temperaturerfassung der Sicherung kann sowohl an der Oberfläche des Isolierkörpers der Sicherung geschehen als auch in den Isolierkörper integriert werden. Letzteres bietet den Vorteil, dass die Abmaße der Sicherung sich nicht ändern und die Messelektronik zusätzlich von äußeren Einflüssen geschützt ist. Sofern die Messelektronik von außen auf dem Isolierkörper angebracht ist, besteht auch die Möglichkeit, die Messelektronik auf eine neue Sicherung zu wechseln.
Als zusätzliche Option kann eine Auslöseeinheit in die Sicherung mit integriert werden, die den Schlagstift auslöst. Die Energie für die Auslösung des Schlagstifts wird durch das Thermoelement zur Verfügung gestellt.
Die innerhalb der Sicherung erzeugte Verlustleistung ist zum einen abhängig von der Strombelastung der Sicherung als auch vom inneren Zustand der Sicherung. Dabei kommt dem Schmelzleitersystem eine entscheidende Bedeutung zu. Da die Temperatur der Sicherung mit abnehmender Anzahl paralleler Schmelzleiter zunimmt, ist eine Erfassung der aktuellen Temperatur der Sicherung notwendig, um Folgeschäden zu vermeiden.
Die Energie zur Versorgung der Messelektronik wird mittels eines Thermogenerators gewonnen. Die dabei erzeugte Spannung wird mittels eines Aufwärtswandlers und einer Spannungsstabilisierung auf ein für die Messelektronik und den Funksender angepassten Wert stabilisiert. Unter Verwendung eines Thermogenerators bzw. Thermoelementes wird eine Spannung generiert, die unter Verwendung eines Aufwärtswandlers aus dem mV-Bereich eine Spannung im Bereich von etwa 1,5 V erzeugt.
Um ein Thermoelement einsetzen zu können, muss dieses von einer Temperaturdifferenz umgeben sein, andernfalls kann das Thermoelement keine Spannung erzeugen. Diese Temperaturdifferenz wird erreicht, in dem die eine Seite des Thermoelementes in direktem Kontakt mit der sich erwärmenden Sicherung befindet, die andere Seite durch kühlendes, vorbeiströmendes Medium umgeben ist. Das Kühlmedium, beispielsweise Luft, SF6, Öl oder synthetische Isolierstoffesther ist auch für den Betrieb der Schaltanlage erforderlich, andernfalls wären die Bemessungsdaten der Sicherung und der Schaltanlage nicht darstellbar.
In aller Regel ist die durch den Thermogenerator bereit gestellte Spannung für eine Elektronikversorgung nicht ausreichend und muss daher anderweitig aufgebracht werden. Hier wird jedoch ein DC-DC-Spannungswandler eingesetzt, der bereits bei wenigen Millivolt Eingangsspannung in der Lage ist, daraus durch eine entsprechende Wandlung eine für eine angeschlossene Elektronik ausreichende Versorgungsspannung und Energiemenge zur Verfügung zu stellen.
Die angeschlossene Elektronik benötigt allerdings nur eine geringe elektrische Leistung, so dass die erzeugte elektrische Energie zum Betrieb der Elektronik ausreichend ist. Der DC-DC-Wandler kann als Black-Box angesehen werden, da diese lediglich als Energiewandler angesehen werden kann. Das Thermoelement ist in der Lage, Temperaturen im Bereich von –30°C bis zu 180°C zu messen. Damit wird nahezu der gesamte für den sicheren Betrieb der Sicherung und des umgebenden elektrischen Betriebsmittels notwendige Temperaturbereich abgedeckt. Da die vom Thermoelement abgegebene Spannung bzw. Leistung erheblich von der Temperatur abhängt, ist eine Begrenzung der dem DC-DC-Wandler zugeführten Spannung in Form eines Widerstandes notwendig.
Das Thermoelement zur Erfassung der Temperatur des Messobjekts ist direkt an die Messelektronik angebunden. Mit Hilfe der Messelektronik wird die gemessene Temperatur in einen digitalen Wert gewandelt, der mit Hilfe eines direkt auf der Platine mit integriertem Funkmodul versandt werden kann.
Bislang sind für die Temperaturüberwachung an Sicherungen lediglich schmelzende Kunststoffe oder pyrotechnische Einrichtungen eingesetzt worden. Letztere haben sich aufgrund von Alterung alleine durch Lagerung nicht durchgesetzt. Lediglich die Auslösung durch schmelzende Kunststoffe innerhalb der HH-Sicherung wird nunmehr standardisiert eingesetzt (7). Allerdings hat diese Art der Temperatursicherung den Nachteil, weder exakt zu funktionieren noch kann diese Technik Schäden umfassend verhindern, da die Sicherung nach wie vor sich thermisch stark erwärmen und die dabei entstehende Wärme in der Nähe abgegeben werden muss. Innerhalb SF6 oder isolierstoffgekapselter Schaltanlagen ist dieses aufgrund reduzierter Wärmeleitung der Umgebung jedoch sehr kritisch zu betrachten. Hinzu kommt bei dieser Technik, dass der Schmelzaktivator nicht an der heißesten Stelle der Sicherung angebracht ist, sondern in unmittelbarer Nähe des Schlagstifts, der wiederum an einem Ende mit deutlich niedrigerer Temperatur eingebaut ist. Einen Vergleich der Wirkung des Schmelzaktivators zeigt 8 mit den dort dargestellten Temperaturen. Innerhalb von Schaltanlagen, insbesondere in SF6-isolierten Schaltanlagen, ist aufgrund der sehr schlechten Wärmeleitung des Isoliergases mit erhöhten Temperaturwerten zu rechnen.
Die Messeinrichtung erlaubt nunmehr, kontinuierlich die Oberflächentemperatur der Sicherung zu erfassen. Damit ist die Anordnung unabhängig von dem Zustand der Sicherung und erfasst immer den thermischen Zustand der Sicherung unter Berücksichtigung der Umgebung / Einbausituation. Zugleich lassen sich mit diesen Einrichtungen erkennen, ob die Sicherung aufgeschmolzene Teilleiter beinhaltet und sich in ihrem thermischen Verhalten von den beiden anderen Sicherungen unterscheidet. Letzteres setzt voraus, dass es sich um eine Drehstromanwendung handelt.
Darüber hinaus ist damit der Einsatz in gekapselten und thermisch isolierten Bereichen so möglich, dass umgebende Isolierstoffe durch Wärmeentwicklung in ihrer Isolationsfestigkeit nicht beeinträchtigt werden. Dieses geschieht bereits ab Temperaturen ab 100°C.
Das Messsystem (Messeinrichtung) kann entweder reversibel oder irreversibel mit dem Sicherungskörper verbunden sein, äußeren Umgebungseinflüssen ausgesetzt oder auswechselbar sein. Durch den Einsatz von hochfrequenter Funktechnik lässt sich das Messsystem auch in gekapselten Schaltanlagen, die mit SF6 oder Flüssigkeiten gefüllt sind oder Isolierstoff gekapselten Schaltanlagen einsetzen. Das Messsystem ist so aufgebaut, dass die dielektrischen Eigenschaften des umgebenden Betriebsmittels nicht negativ beeinflusst werden.
7 zeigt eine HH-Sicherung mit einem Schlagstift 50, einer Druckfeder 51, einem Schmelzaktivator 52, einer Kontaktkappe 53, einem Schmelzleiterträger 54, einem Keramikisolierrohr 55, einem Feinsilberschmelzleiter 56 und einem Speziallöschmittel 57.
In 8 sind die Temperaturwerte für eine herkömmliche HH-Sicherung (links) und einer HH-Sicherung mit Schmelzaktivator (rechts) dargestellt.
In 3 ist die Übertragung von Funksignalen aus mehreren Messeinrichtungen 11, 12, 13, die in einer Anlage 17 angeordnet sind, zu einer gemeinsamen Empfangseinrichtung 14 dargestellt. Die mehreren Messeinrichtungen 11, 12, 13 weisen jeweils wenigstens einen Messsensor auf. Messdaten der Messsensoren können gleichzeitig ermittelt und an die Empfangseinrichtung 14 übertragen werden. Die Empfangseinrichtung 14 sammelt die übertragenen Werte und übermittelt diese an eine Auswerteeinrichtung 15, beispielsweise einen Personalcomputer (PC), der mit einer Datenbank 16 verbunden ist. Mittels des PCs 15 können die ermittelten Werte ausgewertet werden und ggf. mit Werten aus der Datenbank 16 verglichen werden.
4 zeigt eine Schmelzsicherung 30 mit einem runden Querschnitt. Das Gehäuse 31 der Messeinrichtung ist ringförmig und umgibt die Sicherung 30. Innerhalb des Gehäuses 31 sind die Komponenten der Messeinrichtung angeordnet.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung mit einer Sicherung 40 und einer innerhalb der Sicherung 40 angeordneten Messeinrichtung 41.
In 6 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt. Der Messsensor 4 ist in dem Gehäuse 1 angeordnet. Die anderen Komponenten, nämlich der Thermogenerator 2, der DC-DC-Wandler 3 und die Übertragungseinrichtung 5 sind von einem weiteren Gehäuse 18 umgeben. Hiermit kann die Flexibilität der Messeinrichtung erhöht werden.
9 zeigt eine weitere Darstellung einer Sicherung 60 mit einer Messeinrichtung, deren Komponenten in einem Gehäuse 61 angeordnet sind. Das Gehäuse 61 ist als Teilring gebildet. Es umschließt die Sicherung 60 nicht vollständig (vgl. 10).
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander für die Verwirklichung der Erfindung relevant sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0980086 A1 [0010]
DE 102014101156 [0011]

Claims

Anordnung mit einer elektrischen Sicherungseinrichtung und einer an der Sicherungseinrichtung (21, 31, 41) angeordneten Messeinrichtung (21, 41), die Messeinrichtung (21, 41) aufweisend: – einen Thermogenerator (2), der konfiguriert ist, thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, – einen Messsensor (4), der mit dem Thermogenerator (2) elektrisch gekoppelt ist, derart, dass der Messsensor (4) mit von dem Thermogenerator (2) erzeugter elektrischer Energie betreibbar ist, und der konfiguriert ist, einen Messwert zu bestimmen, und – ein Gehäuse (1), das den Messsensor (4) umgibt.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Messeinrichtung (21, 41) auf einer Oberfläche der Sicherungseinrichtung (21, 31, 41) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei die Sicherungseinrichtung (21, 31, 41) einen runden Querschnitt hat, das Gehäuse (31) ringförmig ist und das Gehäuse (31) mit der Messeinrichtung die Oberfläche der Sicherungseinrichtung (21, 31, 41) umschließend auf der Sicherungseinrichtung (21, 31, 41) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Gehäuse (1, 31) zweiteilig gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Messeinrichtung (21, 41) innerhalb der Sicherungseinrichtung (21, 31, 41) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (1, 31) ein elektrisch halbleitendes Material enthält.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (21, 41) einen Prozessor aufweist, der konfiguriert ist, bei Überschreiten eines vorbestimmten Messwerts einen Schlagstift der Sicherungseinrichtung (21, 31, 41) auszulösen.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (1) des Weiteren eine Übertragungseinrichtung (5) umgibt, die konfiguriert ist, den von dem Messsensor (4) bestimmten Messwert an eine Empfangseinrichtung (6) zu übertragen.
Messeinrichtung zum Bestimmen eines Messwerts in einer elektrischen Sicherungseinrichtung (21, 31, 41), insbesondere einer Schmelzsicherung, mit: – einem Thermogenerator (2), der konfiguriert ist, thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, – einem Messsensor (4), der mit dem Thermogenerator (2) elektrisch gekoppelt ist, derart, dass der Messsensor (4) mit von dem Thermogenerator (2) erzeugter elektrischer Energie betreibbar ist, und der konfiguriert ist, einen Messwert zu bestimmen, und – einem Gehäuse (1), das den Messsensor (4) umgibt, wobei das Gehäuse (1) ein elektrisch halbleitendes Material oder ein elektrisch nicht leitendes Material enthält.
Messeinrichtung nach Anspruch 9, wobei das Gehäuse ein thermisch hoch leitendes Material enthält.