DE102015217108A1

DE102015217108A1 - Niederspannungs-Leistungsschalter

Info

Publication number: DE102015217108A1
Application number: DE102015217108.6A
Authority: DE
Inventors: Manfred Adlhoch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2016-03-24
Also published as: CN112614749A; CN105448617A

Abstract

Zur Unterbrechung mindestens eines elektrischen Stromkreises weist der Niederspannungs-Leistungsschalter einen Auslöseeingang auf, so dass der mindestens eine elektrische Stromkreis unterbrochen wird. Der Auslöseeingang ist mit einer Störlichtbogen-Erkennungseinheit verbunden, die bei Auftreten eines Störlichtbogens in mindestens einem elektrischen Stromkreis diesen erkennt und ein Auslösesignal an ihrem Ausgang zum Auslöseeingang des Niederspannungs-Leistungsschalters abgibt, so dass dieser den mindestens einen elektrischen Stromkreis unterbrechen kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Niederspannungs-Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Leistungsschalter sind spezielle Schalter, die für das Schalten hoher Ströme ausgelegt sind. Sie können nicht nur Betriebsströme und geringe Überlastströme schalten, sondern auch bei Fehlern hohe Überlastströme bzw. Kurzschluss-Ströme schalten, ferner Fehlerströme eine vorgegebene Zeit halten und sicher ausschalten. Es gibt Leistungsschalter mit verschiedenen Polzahlen, wie beispielsweise einpolig, zweipolig, dreipolig oder vierpolig.
Abgesehen von der Verwendung als einfaches Schaltelement werden Leistungsschalter als Schutzelement bei Fehlern wie Kurzschluss, Überstrom oder Erdschluss eingesetzt. Mit Niederspannungsschalter bzw. Niederspannungs-Leistungsschalter sind hier Schalter gemeint, die üblicherweise für Betriebsspannungen bis zu 1000 Volt, maximal 2000 Volt ausgelegt sind. Beispielsweise für bis zu 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung. Leistungsschalter werden üblicherweise für Ströme ab 100 Ampere bis zu 10000 Ampere eingesetzt. Spezieller für Ströme ab 63 Ampere oder ab 125 Ampere.
Leistungsschalter, wie beispielsweise Kompaktleistungsschalter respektive Moulded Case Circuit Breaker, offene Leistungsschalter respektive Air Circuit Breaker, werden in der Energieverteilung in verschiedenen Verteilungsebenen, wie Hauptverteilung, Unterverteilung usw. eingesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Niederspannungs-Leistungsschalter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen Niederspannungs-Leistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Niederspannungs-Leistungsschalter mit einer Störlichtbogen-Erkennungseinheit zu erweitern, so dass auch eine Auslösung bzw. Abschaltung eines Stromkreises bei Auftreten eines Störlichtbogens im Stromkreis erfolgt. Kern der Erfindung ist hierbei, dass eine Störlichtbogen-Erkennungseinheit in den Systemverbund mit einem Leistungsschalter integriert wird. Dadurch können auftretende serielle und/oder parallele Störlichtbögen erfasst werden und diese eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises im Verbund mit dem Kompaktleistungsschalter bewirken. Dies hat den Vorteil, dass ein Niederspannungs-Leistungsschalter um eine weitere Funktionalität erweitert wird.
Bei Gebäudeinstallationen können durch Isolationsfehler, Beschädigungen, Leitungsbrüche und/oder lose Kontaktverbindungen Lichtbögen entstehen. Solche Lichtbögen können einen Brand zur Folge haben. Diese Lichtbögen werden hier als Störlichtbögen bezeichnet. Alternativ als Fehlerlichtbögen. D.h. mit einer Störlichtbogen-Erkennungseinheit ist eine Einheit gemeint, die Lichtbögen auf Grund von Isolationsfehlern, Beschädigungen, Leitungsbrüchen und/oder lose Kontaktverbindungen erkennt. Dabei können derartige Lichtbögen als so genannte serielle Lichtbögen, d.h. in Serie bzw. Reihe des elektrischen Stromkreises auftreten. Ferner als so genannte parallele Lichtbögen, d.h. zwischen zwei Leitern des elektrischen Stromkreises. Insbesondere Lichtbögen, die im normalen Betrieb des elektrischen Stromkreises auftreten, beispielsweise durch Schaltvorgänge, sind durch den Begriff Störlichtbögen nicht umfasst. Solche sollen durch eine Störlichtbogen-Erkennungseinheit nicht erfasst werden.
Derartige Störlichtbogen-Erkennungseinheiten werden im englischen als Arc Fault Detection Device, kurz AFDD, und im nordamerikanischen Raum als Arc Fault Circuit Interrupter, kurz AFCI, bezeichnet. Zudem werden die Störlichtbogen respektive Fehlerlichtbogen-Erkennungseinheiten auch als Brandschutzschalter bezeichnet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Störlichtbogen-Erkennungseinheit als Modul ausgeführt, das an den Niederspannungs-Leistungsschalter anfügbar ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass vorhandene Leistungsschalter mit dieser neuen Funktionalität erweitert werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Störlichtbogen-Erkennungseinheit als Modul ausgeführt, das im Gehäuse des Niederspannungs-Leistungsschalters einfügbar ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass an Stelle eines anderen Modules ein Störlichtbogen-Modul in einen Leistungsschalter einsetzbar ist und somit eine neue Funktionalität zur Verfügung steht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Störlichtbogen-Erkennungseinheit im Gehäuse des Niederspannungs-Leistungsschalters integriert. D.h. der Leistungsschalter enthält eine Störlichtbogen-Erkennungseinheit. Damit weist der Leistungsschalter eine weitere Funktionalität auf, die sich vorteilhaft vermarkten lässt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Störlichtbogen-Erkennungseinheit mit einer Fehlerstrom-Erkennungseinheit gekoppelt. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine kompakte Einheit geschaffen werden kann, die sowohl Fehlerströme als auch Störlichtbögen erfassen kann, wobei Funktionsblöcke gemeinsam genutzt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Niederspannungs-Leistungsschalter mit einem Störlichtbogenmodul;
2 eine schematische Darstellung eines Niederspannungs-Leistungsschalters mit einem Störlichtbogen und Fehlerstrommodul;
3 ein Niederspannungsleistungs-Schalter mit einem integrierten Störlichtbogenmodul.
1 zeigt einen Niederspannungs-Leistungsschalter MCCB, der einen elektrischen Stromkreis bzw. mehrere elektrische Stromkreise mit den elektrischen Leitern N, L1, L2, L3, unterbrechen kann. Zur Unterbrechung dient ein Kontaktsystem K. Der Niederspannungs-Leistungsschalter weist einen Auslöseeingang E auf. Wird an diesen ein Auslösesignal angelegt, werden die elektrischen Leiter N, L1, L2, L3 durch das Kontaktsystem K unterbrochen, d.h. der elektrische Stromkreis ist offen. Dies wird auch als Auslösung oder Abschaltung des Leistungsschalters bezeichnet. Am Auslöseeingang E ist der Ausgang einer Störlichtbogen-Erkennungseinheit AFD angeschlossen, das ein Auslösesignal am Ausgang abgeben kann. Die Störlichtbogen-Erkennungseinheit AFD weist einen oder mehrere Sensoren auf, beispielsweise einen ersten Sensor I, einen zweiten Sensor HF, eine Steuereinrichtung MCU und eine Stromversorgung PS auf. Es kann auch ein nicht dargestellter dritter Sensor U vorgesehen sein. Der erste Sensor I dient zur Ermittlung des elektrischen Stromes eines Stromkreises. Der zweite Sensor HF dient zur Ermittlung des HF-Spektrums eines Stromkreises. Der dritte Sensor U dient zur Ermittlung der Spannung eines Stromkreises. In einem mehrphasigen Stromsystem werden vorteilhafterweise mindestens 2 von den 3 genannten Sensoren verwendet. Die Steuerungseinrichtung bzw. Steuereinrichtung MCU dient zur Steuerung der Störlichtbogen-Erkennungseinheit AFD. Es ist derart ausgestaltet, dass Störlichtbögen eines Stromkreises bzw. auf einer elektrischen Leitung erfasst werden können. Beispielsweise kann ein Störlichtbogen im elektrischen Stromkreis, der über den Niederspannungs-Leistungsschalter MCCB führt, mit den Leitungen N, L1, L2, L3 detektiert werden. Wird ein derartiger Störlichtbogen in einem elektrischen Stromkreis detektiert und erkannt, gibt die Störlichtbogen-Erkennungseinheit AFD an seinem Ausgang A ein entsprechendes Signal bzw. Auslösesignal ab, das vom Niederspannungs-Leistungsschalter MCCB an seinem Eingang E empfangen wird und daraufhin mittels des Kontaktsystems K den elektrischen Stromkreis unterbricht. Die Störlichtbogen-Erkennungseinheit kann gemäß 1 als Störlichtbogen Modul ausgestaltet sein, das über eine elektrische Leitung mit dem Leistungsschalter MCCB verbunden ist. Wahlweise kann es so ausgestaltet sein, dass es am Leistungsschalter MCCB anfügbar ist.
2 zeigt eine Anordnung gemäß 1 mit dem Unterschied, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit AFD ein Fehlerstrom-Erkennungseinheit bzw. Fehlerstrom-Modul RCD umfasst. Beispielsweise ist es eine Kombination einer Fehlerstrom-Erkennungseinheit und einer Störlichtbogen-Erkennungseinheit. D.h. mit dem Modul RCD/AFD können sowohl Fehlerströme als auch Störlichtbögen erkannt werden. Bei Vorliegen eines derselben wird ein entsprechendes Signal / Auslösesignal an den Niederspannungs-Leistungsschalter MCCB gegeben, der bei Anliegen des Auslösesignals den elektrischen Stromkreis unterbricht. Im Beispiel der 2 ist die Störlichtbogen-Erkennungseinheit AFD bzw. Störlichtbogen- und Fehlerstrom-Erkennungseinheit RCD/AFD an den Leistungsschalter MCCB angefügt.
3 zeigt eine Anordnung gemäß 1 mit dem Unterschied, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit AFD im Niederspannungs-Leistungsschalter MCCB integriert ist. Alternativ kann die integrierte Störlichtbogen-Erkennungseinheit entnehmbar sein, so dass sie wahlweise, je nach Bedarf, in den Leistungsschalter MCCB einfügbar ist. In einer weiteren Variante kann die Störlichtbogen-Erkennungseinheit auch fest im Leistungsschalter MCCB installiert sein.
Im Folgenden soll die Erfindung nochmals näher beschrieben werden. Für Leistungsschalter stehen teilweise bereits Zusatzmodule für verschiedene Funktionen zur Verfügung. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Störlichtbogen-Erkennungseinheit in dem Systemverbund mit einem Niederspannungs-Leistungsschalter einzubringen. Damit ist eine zentrale Erfassung von seriellen und/oder parallelen Störlichtbögen möglich. Optional kann in Verbindung mit weiteren Störlichtbogen-Erkennungseinheiten eine Erfassung und Erkennung von Störlichtbögen erfolgen und folglich ein Abschalten des Stromkreises zum Schutz der Stromnetze. Dies kann beispielsweise in verschiedenen Haupt- und/oder Unterverteilungen realisiert sein. Die Störlichtbogen-Erkennungseinheit kann dabei in der Nähe eines Niederspannungs-Leistungsschalters angeordnet sein, sich im Gerät befinden bzw. integriert sein oder fern abgesetzt von Niederspannungs-Leistungsschalter angeordnet sein. Des Weiteren kann eine haupteinspeiseseitig bzw. zentral bzw. übergeordnet platzierte Störlichtbogen-Erkennungseinheit respektive Fehlerlichtbogen-Schutzmodul eine Selektivität zu nachgeordneten Fehlerlichbogen-Schutzmodulen in Unterstromverteilungen aufweisen. Mit Selektivität ist das Erkennen bzw. Auslösen der Schutzeinheit gemeint, die dem Fehler am nächsten ist. D.h. möglichst nahe am Fehler, d.h. dem erkannten Fehlerlichtbogen, soll die dortige Schutzeinheit, d.h. die Störlichtbogen-Erkennungseinheit, den Fehler erkennen und dort mittels des zugordneten Niederspannungs-Leistungsschalters den elektrischen Stromkreis unterbrechen. Dadurch soll bei einem Störlichtbogen in der Unterverteilung das zentral platzierte bzw. übergeordnete Fehlerlichtbogen-Schutzmodul nicht auslösen. Solch ein selektiver Schutz kann als Basisschutz und Zusatzschutz bezeichnet werden.
Ferner kann ein Störlichtbogen-Erkennungsmodul in einen Systemverbund integriert und eingebunden werden, beispielsweise durch eine Busanbindung. In einem Systemverbund können beispielsweise Daten eines Niederspannungs-Leistungsschalters als auch einer Störlichtbogen-Erkennungseinheit an eine Leitwarte übertragen bzw. übermittelt werden. Die Störlichtbogen-Erkennungseinheit und/oder der Niederspannungs-Leistungsschalter sind dabei mit einer Leitwarte, beispielsweise mit einem zentralen Rechner verbunden. Hier können Informationen über die Auslösung angezeigt bzw. gemeldet werden. Ferner können Betriebsparameter angezeigt werden. Weiterhin könnte beispielsweise eine Fernauslöse erfolgen.
Die Störlichtbogen-Erkennungseinheit kann

a) als eigenständiges modulares Funktionsmodul aufgebaut sein;
b) als Funktionsmodul in anderen Einheiten, wie beispielsweise in einer Fehlerstrom-Erkennungseinheit, integriert werden;
c) als Funktionsmodul direkt in einem Niederspannungs-Leistungsschalter integriert sein;
d) als Erweiterungsmodul für einen Niederspannungs-Leistungsschalter in Form eines Steckmoduls realisiert sein.

Im Systemverbund kann vor oder nach einer Detektion eines Störlichtbogens eine Anzeige desselben mittels einer Lichtemitterdiode, ein Display, einer Steuer- und Meldeleitung erfolgen. Ferner können Messwerte und Diagnose-Prozessdaten angezeigt werden. Die Verbindung von Niederspannungs-Leistungsschalter, Störlichtbogenmodul und/oder Leitwarte kann über Leitungen wie Auslöse- und Fernauslöseleitungen, Melde-Ein- oder Ausgänge erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Störlichtbogenmodul mit einer elektronischen Auslöseeinheit respektive Electronic Trip Unit eines Niederspannungs-Leistungsschalters verbunden sein.

Claims

Niederspannungs-Leistungsschalter zur Unterbrechung mindestens eines elektrischen Stromkreises, mit einem Auslöseeingang, mittels dem der Niederspannungs-Leistungsschalter auslösbar ist, so dass der mindestens eine elektrische Stromkreis unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseeingang mit einer Störlichtbogen-Erkennungseinheit verbunden ist, die bei Auftreten eines Störlichtbogens in mindestens einem elektrischen Stromkreis diesen erkennt und ein Auslösesignal an ihrem Ausgang zum Auslöseeingang des Niederspannungs-Leistungsschalter abgibt, so dass dieser den mindestens einen elektrischen Stromkreis unterbricht.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit als Modul ausgeführt ist, das an den Niederspannungs-Leistungsschalter anfügbar ist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit als Modul ausgeführt, das im Gehäuse des Niederspannungs-Leistungsschalters einfügbar ist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit im Gehäuse des Niederspannungs-Leistungsschalters integriert ist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit über eine Leitung mit dem Niederspannungs-Leistungsschalter verbunden ist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Patenansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit mit einem Fehlerstrom-Erkennungseinheit gekoppelt ist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit eine Steuerungseinheit, einen ersten Sensor zur Ermittlung des elektrischen Stromes und einen zweiten Sensor zur Ermittlung des Hochfrequenzspektrums des mindestens einen elektrischen Stromkreises aufweist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit einen dritten Sensor zur Ermittlung der elektrischen Spannung des mindestens einen elektrischen Stromkreises aufweist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor sowohl den elektrischen Strom als auch das Hochfrequenzspektrum des mindestens einen elektrischen Stromkreises ermittelt.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren pro Phase eines mehrphasigen elektrischen Stromsystems vorgesehen sind.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit bezüglich einer weiteren Störlichtbogen-Erkennungseinheit eine Selektivität aufweist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit eine Stromversorgung aufweist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit einen Mikroprozessor aufweist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit eine Kommunikationseinheit aufweist, die an einen Kommunikationsstrang zum Datenverkehr anschließbar ist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach Patentanspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit derart ausgestaltet ist, dass mittels der Kommunikationseinheit Auslösedaten, Diagnose-, Prozess- oder/und Steuerungsdaten absendbar oder/und austauschbar sind.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Störlichtbogen-Erkennungseinheit eine Anzeigeeinheit aufweist.
Niederspannungs-Leistungsschalter nach Patentanspruche 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinheit ein Display oder/und Lichtemitterdioden aufweist, zur Anzeige von Betriebszuständen der Störlichtbogen-Erkennungseinheit.