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Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter.
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Fehlerstromschutzschalter für elektrische Stromkreise, insbesondere für Niederspannungsstromkreise bzw. -anlagen, sind allgemein bekannt und finden sich mittlerweile in fast jedem Haushalt. Mit Niederspannung sind Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Fehlerstromschutzschalter werden auch als Residual Current Devices bezeichnet, kurz RCD, bzw. Residual Current (Operated) Circuit Breaker, kurz RCCB.
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Fehlerstromschutzschalter ermitteln die Stromsumme in einem elektrischen Stromkreis, die im Normalfall null ist, und unterbrechen bei überschreiten eines Differenzstromwertes, d.h. einer Stromsumme von ungleich null, die einen bestimmten (Differenz-)Stromwert übersteigt, den elektrischen Stromkreis.
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Alle bisherigen Fehlerstromschutzschalter weisen einen Summenstromwandler auf, dessen Primärwicklung durch die Leiter des Stromkreises gebildet wird und dessen Sekundärwicklung die Stromsumme abgibt, welche direkt oder indirekt zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises verwendet wird.
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Wenn der Summenstromwandler so ausgebildet ist, dass die sekundärseitige Energie zur Betätigung einer Auslöseeinheit bzw. einer Unterbrechungseinheit bzw. eines Auslösers ausreicht, dann nennt man derartige Fehlerstromschutzschalter netzspannungsunabhängig; andernfalls netzspannungsabhängig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Fehlerstromschutzschalter, insbesondere einen netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschalter, zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Fehlerstromschutzschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist ein Fehlerstromschutzschalter für einen elektrischen Stromkreis, aufweisend,
- – eine Auslöseeinheit, zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises,
- – ein Netzteil, zur Stromversorgung,
- – mindestens einen Stromsensor, zur fortlaufenden Ermittlung eines elektrischen Stromwertes des elektrischen Stromkreises,
- – einen Summenstromwandler, zur fortlaufenden Ermittlung eines Differenzstromwertes des elektrischen Stromkreises,
- – mindestens einen Spannungssensors, zur fortlaufenden Ermittlung eines elektrischen Spannungswertes des elektrischen Stromkreises,
- – einer Steuerungseinheit, aufweisend einen Analog-Digital-Umsetzer, eine Prozessoreinheit und einen Speicher,
in der die ermittelten und aufbereiteten Stromwerte, Differenzstromwerte und Spannungswerte digitalisiert und verarbeitet werden
und die derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreitung eines ersten Differenzstromgrenzwertes der elektrische Stromkreis durch die Auslöseeinheit unterbrochen wird,
- – dass die Steuerungseinheit ferner derart ausgestaltet ist, dass nach einer Unterbrechung des elektrischen Stromkreises durch die Auslöseeinheit die ermittelten Strom, Differenzstrom und Spannungswerte für einen ersten Zeitraum bis zur Überschreitung des ersten Differenzstromwertes an einer Ausgabeeinheit zur Verfügung stehen, vorgesehen.
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Mit erstem Zeitraum ist ein Zeitraum von mehreren Sekunden bis zu mehreren bzw. vielen Minuten gemeint. Er kann allerdings auch länger sein. Insbesondere sollen die Werte bis zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises zur Verfügung stehen, um mit diesen Werten beispielsweise eine mögliche Ursachenermittlung durchzuführen. Der Zeitraum ist entsprechend groß zu wählen.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Funktionalität eines netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschalters erweitert wird.
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Ziel ist es für den Fall einer Auslösung auch im Nachhinein eine Analyse der Werte respektive Messwerte bzw. Messdaten vorzunehmen um die Ausfallursache zu ermitteln bzw. weitere vorbeugende Maßnahmen prüfen zu können. Der Zeitraum dieser Aufzeichnung, welcher ähnlich wie bei einem Oszilloskop mit dem Triggerevent (Event = Auslösung = Trip) eine vordefinierte bzw. einstellbare Zeit, vor und nach dem Triggerzeitpunkt (Auslösung) eine definierte Zeit bzw. Anzahl Messpunkte aufzeichnet.
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In der Regel kann hier je nach Speichergröße und Nutzen ein Wert zwischen t = 0 Sekunden bis t = einigen oder vielen Minuten erfolgen. Die Obergrenze ergibt sich durch die Größe der verwendeten Speichermodule im Gerät und eingestellter Abtastrate, sowie Anzahl Messkanäle und dazugehöriger Auflösung je Messkanal (= Datentiefe).
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine Signalaufbereitungseinheit vorgesehen, die in mindestens einem Sensor integriert oder zwischen mindestens einem Sensor und der Steuerungseinheit angeordnet oder in der Steuerungseinheit integriert ist, in der die ermittelten Stromwerte, Differenzstromwerte oder/und Spannungswerte wahlweise hinsichtlich Amplitude und Frequenzbereich angepasst werden.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass durch die Aufbereitung bzw. Anpassung der Sensorwerte eine einfachere und bessere Verarbeitung in der Steuerungseinheit ermöglicht wird.
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Je nach Wahl der Art des Sensors und Umgebungsbereich ergeben sich physikalische Eigenschaften, welche durch geeignete Maßnahmen (= Sensoraufbereitung bzw. Sensoranpassung oder Sensoransteuerung) korrigiert bzw. eingestellt, gefiltert, verstärkt, etc. werden. Beispielsweise:
- – Signalverstärkung mittels Operationsverstärker oder Transisoren, etc.
- – Signalfilterung z.B. gegen Antialiasingeffekte oder sonstige Effekte um das gesuchte Nutzsignal vom Sensorsignal zur extrahieren.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass der fortlaufend ermittelte Spannungswert mit einem Spannungsoberwert und einem Spannungsunterwert verglichen wird und bei einer Über- oder Unterschreitung eine Meldung abgegeben wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass neben der Überwachung der Versorgungsspannung der Primärleiter auch ein Eigenschutz bzw. Schutz anderer an dem Stromkreis, wie beispielsweise einer Niederspannungsverteilung, angeschlossenen Verbraucher und/oder weiterer Schutzschaltgeräte erfolgen kann.
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Da ein Verschieben des Sternpunktes zu gefährlichen Überspannungsspitzen einer Phase kommen kann, ist dies zur Sicherstellung der Schutzfunktionen der Schutzschaltgeräte, vor allem bei aktiven, netzspannungsabhängigen Geräte wichtig. Des Weiteren könnten überhöhte Ableitströme gegen Erde fließen, die die Funktionsweise bzw. Überwachungszuverlässigkeit beeinträchtigen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass der fortlaufend ermittelte Stromwert mit einem Stromoberwert verglichen wird und bei einer Überschreitung eine Meldung abgegeben wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass grenzwertige Stromspitzen sicher erkannt und bewertet werden können und ggf. zu einer Aktion führen (Auslösung, Warnung, Anzeige, etc.). Beispielsweise können hier sogenannte Inrush-Ströme, also kurzzeitig hohe Anlaufströme von elektrischen Antrieben gemeint sein. Diese wiederum bewirken ggf. Fehlauslösungen verschiedener Schutzschaltgeräte bzw. können auch zu Beschädigungen führen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass fortlaufend eine Frequenzanalyse des ermittelten Differenzstromwertes durchgeführt wird, die ermittelten frequenzabhängigen Amplitudenwerte mit frequenzabhängigen Amplitudengrenzwerten verglichen werden und bei Überschreitung eine Meldung abgegeben wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Überwachung gegen nach Norm unerlaubte bzw. im Stromkreis bzw. Stromsystem unerwünschte Störfrequenzen durchgeführt werden kann. Des Weiteren ist es dadurch möglich einen Verschleiß von Verbrauchern bzw. einen Ausfall eines Verbrauchers zu erkennen. Darüber hinaus können mangelhaft projektierte bzw. abgestimmte Stromkreise bzw. Anlagen, beispielsweise Antriebssysteme mit fehlenden bzw. ungeeigneten Filtern, erkannt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass die Frequenzanalyse mittels einer schnellen Fourier-Transformation durchgeführt wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass durch eine Prozessoreinheit, wie ein Mikrocontroller bzw. eine CPU, infolge einer FFT oder DFT eine effektive Methodik angewandt werden kann um einfach und schnell ein komplettes Signalspektrum eines oder mehrerer Sensorkanäle zu erhalten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass die ermittelten frequenzabhängigen Amplitudenwerte mit frequenzabhängigen Amplitudengrenzwerten verglichen werden, wobei nur Amplitudenwerte bei Frequenzen der ungeradzahligen Oberwelle der Netzfrequenz mit Amplitudengrenzwerten verglichen werden.
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Mit ungeradzahliger Oberwelle ist beispielsweise die 3., 5., 7., 9., 11., 13., usw. Oberwelle gemeint. Bezogen auf die Netzfrequenz von üblicherweise 50 oder 60 Hz, bzw. je nach Land eine andere Netzfrequenz, sind beispielsweise die Oberwelle von 150 Hz, 250 Hz, 350 Hz, 450 Hz, 550 Hz, 650 Hz, 750 Hz, ... (bezogen auf 50 Hz) gemeint. Es kann auch nur ein Teil der ungeradzahligen Oberwellen verglichen werden, beispielsweise die Oberwelle von 150 Hz, 450 Hz oder/und 750 Hz, respektive die 3., 9. oder/und 15. Oberwelle.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei Störfrequenzen inklusive deren Harmonischen Ableitungen/Weiterführungen ein Quervergleich bzw. Querbetrachtung verschiedener Sensorkanäle bzw. Sensortypen miteinander genau bei diesen speziellen Frequenzen miteinander verglichen werden können um auf Korrelationen schließen zu können. Hiermit können weitere Erkenntnisse darüber gewonnen werden um Auslöseursachen zu ermitteln und möglichen Stromkreis bzw. Anlageneigenschaften genauer analysieren zu können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Stromkreis ein Dreiphasen-Wechselstromkreis, pro Phase ist ein Spannungssensor vorgesehen, die Steuerungseinheit ist derart ausgestaltet, dass die ermittelten Spannungswerte pro Phase miteinander verglichen werden um eine Sternpunktabweichung festzustellen, und bei einer Sternpunktabweichung, die einen Sternpunktabweichungsgrenzwert überschreitet, eine Meldung abgegeben wird. Ein Vergleich könnte beispielsweise dahingehend erfolgen, dass der Spannungswert einer Phase mehr als 10% vom Spannungswert einer anderen Phase abweicht. Alternativ, dass der Spannungswert einer Phase mehr als 10% von seinem Spannungssollwert, wie beispielsweise 230 Volt oder 400 Volt abweicht. Ebenso ist damit gemeint, dass die Spannungswerte zwischen den Phasen ermittelt werden und gegen einen Sollwert oder/und gegen die anderen beiden Phase-Phase Spannungswerte verglichen werden. Ein anderer Wert als 10%, beispielsweise jeder Wert im Bereich 5% bis 20%, ist möglich.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass die nach Norm erlaubten Grenzwerte überprüft und kontrolliert werden können. Hiermit kann eine Warnung mittels einstellbarer Prüfgrenzen ausgegeben werden. Eine Abschaltung kann mittels dieser oder einer zweiten Grenzwertbetrachtung (Schwelle) vorgenommen werden.
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Somit kann zwischen Warnschwelle und Auslöseschwelle unterschieden werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass nach einer Unterbrechung des elektrischen Stromkreises durch die Auslöseeinheit die ermittelten Strom, Differenzstrom und Spannungswerte für einen ersten Zeitraum bis zur Überschreitung des ersten Differenzstromwertes gespeichert werden.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass für den Fall einer Unterbrechung bzw. Auslösung auch im Nachhinein eine Analyse der Messdaten vorgenommen werden kann, um die Ausfallursache bzw. weitere vorbeugende Maßnahmen prüfen zu können. Der Zeitraum dieser Aufzeichnung, welcher ähnlich wie bei einem Oszilloskop mit der Triggerevent (Unterbrechung = Auslösung = Trip) eine vordefinierte bzw. einstellbare Zeit, vor und nach dem Triggerzeitpunkt (Auslösung) eine definierte Zeit bzw. Anzahl Messpunkte aufzeichnet.
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In der Regel kann hier je nach Speichergröße und Nutzen ein Wert zwischen t = 0 Sekunden bis t = vielen Minuten erfolgen.
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Die Obergrenze ergibt sich durch die Größe des verwendeten Speichermoduls im Gerät und eingestellter Abtastrate, sowie Anzahl Messkanäle und dazugehörigen Auflösungen je Messkanal (= Datentiefe).
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass an Stelle der Abgabe einer Meldung oder parallel dazu eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises durch die Auslöseeinheit erfolgt.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass der erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter nicht nur eine erweiterte Funktionalität hinsichtlich der Überwachung eines Stromkreises aufweist, sondern auch eine erweiterte Schutzfunktionalität einbringt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit oder/und Ausgabeeinheit derart ausgestaltet, dass der zeitliche Verlauf der Strom- oder/und Differenzstrom- oder/und Spannungswerte zur Verfügung steht.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Überwachung und mögliche Ausgabe/Anzeige einer sogenannten Trendanalyse zur Verfügung steht. Beispielsweise mit Werten schon vor einer Auslösung. Damit ist eine bessere Vorausfallsüberwachung und auch Dimensionierung, Justierung oder Diagnose/Wartung des Stromkreises bzw. einer Anlagen und deren Komponenten möglich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausgabeeinheit ein Ausgabeinterface oder/und eine visuelle Anzeige auf.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass das Gerät individuell und flexibel in einen Anlagenverbund mittels diverser Schnittstellen eingebunden werden kann. Dies kann mittels Steuerleitungen, Busverbindungen, visuellen Anzeigeelementen, etc. geschehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausgabeeinheit ein Display oder/und eine Lichtemitterdiode (LED) oder/und einen Busanschluss auf.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass Meldungen des Gerätes in einen Anlagenverbund direkt sichtbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass der fortlaufende Differenzstromwert nach der Zeit differenziert wird und dieser Verlauf an der Ausgabeeinheit zur Verfügung steht.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Überwachung und mögliche Ausgabe/Anzeige einer sogenannten Trendanalyse schon vor einer Auslösung zur Verfügung gestellt wird, mit dem besonderen Vorteil der Vorausfallsüberwachung und auch Dimensionierung, Justierung oder Diagnose/Wartung des Stromkreises bzw. der Anlage und seiner Anlagenteile.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass der Verlauf des Differenzstromwertes über der Frequenz an der Ausgabeeinheit zur Verfügung steht.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Überwachung gegen nach Norm unerlaubte, bzw. im System unerwünschte Störfrequenzen durchgeführt werden kann. Des Weiteren ist es dadurch möglich einen Verschleiß eines Verbrauchers bzw. Ausfall von Verbrauchern zu erkennen. Darüber hinaus können damit auch mangelhaft projektierte bzw. abgestimmte Anlagen, beispielsweise Antriebssysteme mit fehlenden bzw. ungeeigneten Filtern, erkannt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass die Frequenz der Spannungswerte mit einem Frequenzuntergrenzwert und mit einem Frequenzobergrenzwert verglichen wird und bei einer Unter- oder Überschreitung eine Meldung abgegeben wird.
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Die Frequenz der Spannungswerte ist üblicherweise die Netzfrequenz, die Landesspezifisch ist und beispielsweise 50 Hz für viele europäische Länder und 60 Hz für den überwiegenden Teil der USA bzw. auch Brasilien ist. Ein Frequenzuntergrenzwert kann beispielsweise 40 Hz sein oder im Bereich von 40–45 Hz liegen und ein Frequenzobergrenzwert kann beispielsweise 60 Hz sein oder im Bereich 55 bis 60 Hz liegen.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Verschiebung der Versorgungsfrequenz erkannt wird und damit einhergehend die Funktions- und Wirkungsweise des Fehlerstromschutzschalter mit überwacht werden kann, da die Fehlerstromschutzschalter auf eine bestimmte Netzfrequenz abgestimmt und typgeprüft wurden. Bei abweichenden Frequenzen ändert sich die Funktionsfähigkeit bis hin zum Verlust der Schutzfunktion. Manche Fehlerstromschutzschalter sind in breiteren Frequenzbereichen einsatzfähig. Hier können abweichende Grenzen festgesetzt werden. Beispielsweise können autarke, mobile Maschinen und Anlagen eine eigene Stromversorgung besitzen mit einem Frequenzumrichter bzw. Generator, welcher ein bestimmtes Frequenzband als Versorgungsfrequenz generiert. Dies kann damit überwacht werden, damit die Schutzfunktion stets sichergestellt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stromkreis ein Dreiphasen-Wechselstromkreis,
dass pro Phase ein Stromsensor vorgesehen ist,
dass die Steuerungseinheit derart ausgestaltet ist, dass die Stromwerte pro Phase mit einem Stromoberwert verglichen werden und bei einer Überschreitung eine Meldung abgegeben wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Überwachung der einzelnen Stromkreise erfolgen kann. Beispielsweise:
- – Fehlerzuordnung je Phase und Strom, abhängig von den verwendeten Sensorarten und deren damit sich ergebenden Möglichekeiten
- – Überwachung der Stromtragfähigkeit
- – Überwachung von Stromspitzen je Phase
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist für den Neutralleiter ein Stromsensor vorgesehen, die Steuerungseinheit ist derart ausgestaltet, dass der Stromwert für den Neutralleiter mit einem Neutralleiterstromoberwert verglichen wird und bei einer Überschreitung eine Meldung abgegeben wird. Ein Neutralleiterstromoberwert kann beispielsweise im Bereich der Stromtragfähigkeit liegen.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Unterbrechung des Neutralleiters erkannt werden kann, welches gefährliche Überspannungen in Mehrphasensystemen zur Folge haben kann, welches wiederum Verbraucher und andere Schutzschaltgeräte beschädigen oder zerstören kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stromsensor ein Hallsensor oder/und Widerstand (Shunt) oder/und Stromwandler oder/und Transformator oder/und Rogowski-Spule ist.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass unterschiedlichste Sensorarten zur Strommessung zum Einsatz kommen können, welche je nach Anwendungsgebiet ihre Vorteile einbringen können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Stromkreis ein Dreiphasen-Wechselstromkreis, pro Phase ist ein Spannungssensor vorgesehen, die Steuerungseinheit ist derart ausgestaltet, dass die fortlaufend ermittelten Spannungswerte pro Phase mit einem Spannungsoberwert, einem ersten Spannungsunterwert und einem zweiten Spannungsunterwert verglichen wird und bei einer Überschreitung eine erste, bei einer ersten Unterschreitung eine zweite Meldung, bei einer zweiten Unterschreitung eine Phasenausfallmeldung abgegeben wird oder dass eine Neutralleiterausfallmeldung abgegeben wird.
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Es kann eine Überwachung dahingehend erfolgen, dass erlaubte Warnungs- und Störungsgrenzen nicht überschritten werden.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass potenziell gefährliche Anlagenfehler wie z.B.: Phasenausfall (Ausfall einer oder zweier Phasen), Sternpunktverschiebung, Ausfall N-Leiter aufgrund Leitungsunterbrechung, etc. wirkungsvoll aufgespürt und erkannt werden und somit der Stromkreis bzw. eine Niederspannungsverteilung wirkungsvoll geschützt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass aus den fortlaufend ermittelten Strom- und Spannungswerten Leistungswerte oder/und Energiewerte ermittelt werden, die an der Ausgabeeinheit zur Verfügung stehen. Wie beispielsweise die elektrische Leistung in Watt, die Effektiv- und Blindleistung, die elektrische Energie bzw. der Energieverbrauch in KWh, Cos-Phi, etc.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass sogenannte Meteringfunktionen, also Prozessdaten zur Energiebilanz, Energieeffizienz, Stromsparfunktionen, etc. automatisch ohne Zusatzaufwand (dem Kunden) angeboten werden können.
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Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
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1 ein erstes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters
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2 ein zweites Blockschaltbild zur Erläuterung der Erfindung
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3 ein drittes Blockschaltbild zur Erläuterung der Erfindung
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4 ein viertes Blockschaltbild zur Erläuterung der Erfindung
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5 eine erste Funktionsabbildung zur Erläuterung der Erfindung
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Fehlerstromschutzschalters für einen elektrischen Stromkreis L1, L2, L3, beispielsweise einen dreiphasigen Niederspannungsstromkreis, aufweisend,
- – eine Auslöseeinheit Trip, zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises L1, L2, L3,
- – ein Netzteil PS, zur Stromversorgung, das mit dem elektrischen Stromkreis L1, L2, L3 verbunden ist,
- – mindestens einen Stromsensor I1, I2, I3, zur fortlaufenden Ermittlung eines elektrischen Stromwertes des elektrischen Stromkreises L1, L2, L3,
- – einen Summenstromwandler ID, zur fortlaufenden Ermittlung eines Differenzstromwertes des elektrischen Stromkreises L1, L2, L3,
- – mindestens einen Spannungssensors U1, U2, U3, zur fortlaufenden Ermittlung eines elektrischen Spannungswertes des elektrischen Stromkreises L1, L2, L3,
- – einer Steuerungseinheit SE, aufweisend einen Analog-Digital-Umsetzer ADC, eine Prozessoreinheit MCU und einen Speicher MEM,
in der die ermittelten und aufbereiteten Stromwerte, Differenzstromwerte und Spannungswerte digitalisiert und verarbeitet werden
und die derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreitung eines ersten Differenzstromgrenzwertes der elektrische Stromkreis L1, L2, L3 durch die Auslöseeinheit Trip unterbrochen wird,
- – dass die Steuerungseinheit SE ferner derart ausgestaltet ist, dass nach einer Unterbrechung des elektrischen Stromkreises durch die Auslöseeinheit Trip die ermittelten Strom, Differenzstrom und Spannungswerte für einen ersten Zeitraum bis zur Überschreitung des ersten Differenzstromwertes an einer Ausgabeeinheit AE zur Verfügung stehen.
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Dies Ausgabeeinheit kann eine graphische Anzeige GA oder/und ein Interface IF, wie einen Bus-Anschluss, umfassen. Ferner eine oder mehrere Lichtemitterdioden respektive LED aufweisen oder/und ein Display.
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Des Weiteren kann mindestens eine Signalaufbereitungseinheit SAE vorgesehen sein, die in mindestens einem Sensor integriert oder zwischen mindestens einem Sensor und der Steuerungseinheit angeordnet, wie in 1, oder in der Steuerungseinheit integriert sein kann, in der die ermittelten Stromwerte, Differenzstromwerte oder/und Spannungswerte wahlweise hinsichtlich Amplitude und Frequenzbereich angepasst werden. Beispielsweise kann eine Frequenzbegrenzung durch ein Tiefpassfilter oder ein Bandpassfilter erfolgen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass alle Ausgestaltungen einen Fehlerstromschutzschalter in seiner Funktion erweitern. Damit werden, neben der Einhaltung aller Vorschriften sowie Richtlinien zur Errichtung von elektrischen Anlagen, spezielle Überwachungsgeräte überflüssig. Zudem stehen neue Funktionen zur Verfügung.
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2 zeigt ein Blockschaltbild gemäß 1, mit dem Unterschied, dass der Stromkreis L1, L2, L3 einen Neutralleiter N aufweist.
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Des Weiteren ist die Signalaufbereitungseinheit SAE teil der Steuerungseinheit SE. Zudem ist die Signalaufbereitungseinheit SAE in 3 Teileinheit aufgeteilt, eine erste Signalaufbereitungseinheit SAE1 für die Stromsensoren I1, I2, I3, eine zweite Signalaufbereitungseinheit SAE2 für den Summenstromwandler ID, eine dritte Signalaufbereitungseinheit SAE3 für die Spannungssensoren U1, U2, U3.
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Weiterhin ist das Netzteil PS ein Teil der Steuerungseinheit SE, beispielsweise hier integriert.
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Ferner sind die Stromsensoren I1, I2, I3, als Hall-Sensoren realisiert, die mit der Signalaufbereitungseinheit SAE1, die als Hall-Strommesseinheit ausgestaltet ist, verbunden sind. Diese kann Teil der Steuerungseinheit SE sein, aber auch separat ausgeführt sein.
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3 zeigt ein Blockschaltbild gemäß 2, mit dem Unterschied, dass die Strommessung durch Widerstände, auch als Shunt-Widerstände bezeichnet, realisiert ist. Diese sind mit der Signalaufbereitungseinheit SAE1 verbunden, die als Widerstandsstrommesseinheit ausgestaltet ist. Diese kann Teil der Steuerungseinheit sein, aber auch separat ausgeführt sein.
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4 zeigt ein Blockschaltbild gemäß 3, mit dem Unterschied, dass die Strommessung durch Stromtransformatoren realisiert ist. Diese sind mit der Signalaufbereitungseinheit SAE1 verbunden, die als Stromtransformatormesseinheit ausgestaltet ist. Diese kann Teil der Steuerungseinheit sein, aber auch separat ausgeführt sein.
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5 zeigt eine Funktionsabbildung zur Erläuterung der Funktionsweise, bei gemessene Stromwerte I1, I2, I3; Differenzstromwerte ID; und Spannungswerte U1, U2, U3 einer Signalaufbereitungseinheit SAE zugeführt werden, die die aufbereiteten Messwerte, bzw. mindestens einen Teil dessen, durch eine Verteilfunktion V in drei verschiedene Richtungen abgibt.
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Zum Ersten einer Anzeigeeinheit AE, die die Messwerte, aber auch Diagnose-, Trend- oder/und Prozessdaten, anzeigt, zur Verfügüng stellt oder/und abgibt.
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Alle relevanten, ermittelten Signale und abgeleitete Größen, welche zur möglichen Ursachenfindung der Auslösegrundes verwendet werden können, können
- a) im Speicher MEM abgespeichert werden
- b) optional über Businterface IF abgegeben werden, bspw. an einen Servicetechniker bzw. eine Leitwarte
- c) über eine graphische Anzeige GA angezeigt bzw. gemeldet werden
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Zum Zweiten einer Signalanalysefunktion ANL, die eine Analyse hinsichtlich der Erfüllung bestimmter Kriterien durchführt und daraufhin beispielsweise eine Meldung abgibt, die mittels einer zweiten oder der ersten Anzeigeeinheit AE, AE2 angezeigt werden kann. Dazu ist die Signalanalyseeinheit ANL mit dieser verbunden.
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Zum Dritten einer Auslöseanalysefunktion AAL, die den elektrischen Stromkreis auf das Vorliegen von Kriterien prüft, bei denen eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises erfolgen soll und eine entsprechende Unterbrechung durch die Auslöseeinheit Trip initiiert. Beispielsweise Fehlerstrom bzw. Differenzstromgrenzwert überschritten, Stromobergrenzwert überschritten, Spannungsobergrenzwert überschritten, usw. Des Weiteren kann die Auslöseanalysefunktion AAL mit einer Dritten oder der Ersten bzw. Zweiten Anzeigeeinheit AE, AE2, AE3 verbunden sein, um einen Auslösevorgang, d.h. die Unterbrechung des elektrischen Stromkreises, anzuzeigen.
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Die Auslöseentscheidung eines netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschalters kann primär darin liegen, dass bei Überschreiten eines Differenzstromgrenzwerts z.B. von 15...30mA eine Unterbrechung des Stromkreises erfolgt.
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Erfindungsgemäß werden Basisfunktionen, wie Strom- und Spannungsmessung, für weitere Überwachungsfunktionen verwendet.
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Dies können beispielsweise weitere Grenzwertüberwachungen, Asymmetrieüberwachungen in dreiphasigen Stromkreisen, Harmonischenüberwachungen, EMV-Überwachungen, Signal-to-Noise Ration Überwachungen, Trend von Messwerten Überwachungen sein.
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Im Folgenden soll die Erfindung noch mal mit anderen Worten erläutert werden.
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Elektronisch aufgebaute Schutzschaltgeräte, wie z.B. Fehlerstromschutzschalter, beispielsweise vom Typ B, können erfindungsgemäß neue Überwachungsfunktionen als Zusatzfeatures integrieren. Vorteilhafterweise können interne Sensoreinheiten, die Basisfunktionen für Strom- und/oder Spannungmessung bieten, integriert oder/und mitverwendet werden. Als neue bzw. abgeleitete Funktionen können hieraus ergeben:
- – Überwachung Netz-Asymmetrie (Strom/Spannung), diese können sonst Dauerhaft den Anteil Ableitströme erhöhen bzw. Netzteile oder ähnliches beschädigen
- – Überwachung Netzqualität allgemein
- – Harmonische Analyse => wiederkehrende krit. Störfrequenzen, insbesondere im Bereich der Antriebstechnik
- – EMV-Analyse
- – Überwachung Phasen => Erkennung d. Ausfall einer Phase; Identifizierung der resultierenden Phase in Bezug zu einer Fehlergröße (z.B. Fehler an Phase 2 erkannt)
- – Überwachung von periodischen und/oder Serienfehlern
- – Überwachung von Zuständen/Fehlern über die Zeit
- – Energie Management
- – Zustandsüberwachung
- 1. Messung / Analyse der Netzqualität zur Bewertung der sicheren Arbeitsweise eines Fehlerstromschutzschalters. Vorteil: Vorausfallserkennung.
- 2. Zuordnung Fehlerbild/Analyse bei Auslösung/Abschaltvorgang. Vorteil: Ursachenfindung bei Auslösevorgang.
- 3. Diagnose-/Prozessdaten zur allgemeinen Anlagenvisualisierung und -überwachung. Vorteil: Automatisierung zur Schaffung von Transparenz und höherer Anlagenverfügbarkeit.
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Fehlerstromschutzschalter werden zum Zwecke des Fehlerschutzes und/oder Zusatzschutzes in Niederspannungsanlagen verwendet. Der Vorteil eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters liegt darin, dass neben der Anzeige/Ausgabe von Messdaten auch Werte bzgl. der Netzqualität erfolgen. Diese können für Vorausfallerkennung eines Fehlerstromschutzschalters verwendet werden. Zudem kann während bzw. nach einem Auslösevorgang eine Analyse der möglichen Auslöseursache erfolgen.
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Beispiele:
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- – Verschiebung Sternpunkt => Folge: Spannungsüberhöhung an einzelner Phase, was beispielsweise das Netzteil eines Fehlerstromschutzschalters zerstören kann
- – Asymmetrisches Schalten von Verbrauchern mit EMV-Filtern (X-/Y-Kondensatoren) => Folge: Hohe Ableitströme im Schaltvorgang (z.B. Einschalten Motorschutzschalter mit unsymmetrischem Schaltverhalten)
- – Oberschwingungen im System (ungleich 50Hz) mit kritischer Amplitude, je nach Frequenz
- – Fehleranalyse-/anzeige nach/bei Abschaltvorgang => Identifizierung der fehlerhaften Phase
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Der Differenzstrom (Summenstrom) des Summenstromwandlers ID ist im Idealfall gleich Null Ampere. Im Normalfall ist dieser kleiner als ein Differenzstromgrenzwert, von beispielsweise 30 mA. Im Fehlerfall erfolgt eine Auslösung, d.h. Unterbrechung des Stromkreises, beispielsweise bei einem Fehlerstrom größer 30 mA.
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Die ermittelten Stromwerte, Differenzstromwerte und Spannungswerte werden mittels Analog-Digital-Umsetzung ADC, durch beispielsweise einen A/D-Wandler, digitalisiert, so dass diese anschließend digital weiter verarbeitet werden können. Dabei können die digitalen Sensordaten als „rohe“ Messdaten in der Prozessoreinheit MCU bzw. im Speicher MEM vorliegen.
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In der Signalaufbereitungseinheit bzw. in der Prozessoreinheit können die digitalisierten Messdaten normiert werden, d.h. nach jeweils physikalischen Einheiten umgerechnet und skaliert werden. Beispielsweise im gewünschten Verhältnis der Signalauflösung zur Signalgenauigkeit. Z.B. kann ein Analog-Digital-Wandler 4096 Digits aufweise. Ein Differenzstrom von 0 mA kann 100 Digits entsprechen (Offsetwert). Ein Differenzstrom von 10mA entspricht 250 digits. Der A/D-Wandler würde einen Wert von 350 Digits abgegeben.
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In der Prozessoreinheit werden die jeweiligen Zielgrößen berechnet.
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Die Prozessoreinheit führt einen digitale Signalverarbeitung durch. Beispielsweise weist sie einen Mikrocontroller auf und die Berechnung wird mittels Firmware bzw. Maschinencode durchgeführt.
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Die Netzqualität kann folgenden Kriterien umfassen:
- – Betrachtung der gemessenen Spannungswerte auf auf Spannungsabweichung (Spannungsoberwert und Spannungsunterwert) einer einzelnen Phase, d.h. Überschreitung/Unterschreitung eingestellter Grenzwerte => Meldung => Vorausfallserkennung
- – Betrachtung der gemessenen Spannungswerte auf Sternpunktabweichung, d.h. relative Abweichung der Phasen zueinander. D.h. Überschreitung eingestellter Grenzwerte=> Meldung
- – Betrachtung des Differenzstromwertes ID im Frequenzband, durch Fourier-Transformation.
- a) 3., 5., 7., ... harmonische der Netzfrequenz (z.B. 50Hz) => Meldung
- b) Betrachtung höherer Amplituden im höheren Frequenzband je nach Typ Fehlerstromschutzschalter (B 30mA, B+ 30mA, B 300mA, etc.) => Meldung
- – Grenzwerte sind abhängig von der jeweilige Charakteristik des Fehlerstromschutzschalters (30mA, 300mA, 500mA, 1000mA, ...)
- – Im Frequenzband ergibt sich ein Diagramm Amplitude (Strom bzw. Spannungswert (z.B. RMS) über der Frequenz. Steigen ein oder mehrere Amplitudenwerte (RMS) im Frequenzband x (z.B. 0–1kHz (Charakteristik Typ B, bzw. 0–20kHz Charakteristik Typ B+, etc. über einen kritischen Grenzwert, so steigt die Gefahr von Fehlauslösungen, für den Fall das es sich bei den Frequenzen um technisch bedingte Ableitströme handelt
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Bei einer Auslösung des Fehlerstromschutzschalters sollen alle zum Zeitpunkt der Auslösung verfügbaren ermittelten Werte und deren Ableitungen zwischengespeichert werden und/oder mittels Kommunikationsschnittstelle und/oder Anzeige bei Bedarf abgebbar bzw. ausgebbar sein.
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Unter anderem können folgende Signale gespeichert werden: Differenzstromwerte, Stromwerte, Spannungswerte, Differenzstromwert über der Frequenz bzw. Frequenzspektrum (über der Zeit), aufgetretener Differenzstrom bzw. Fehlerstrom der zur Auslösung führte, usw.
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Unter Ableitungen von Messgrößen sind mathematische Ableitung gemeint, zum Beispiel Differential, Integral, Fourier-Transformation, usw.
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Vorhaltung der ermittelten Werte für generelle Anzeige und Ausgaben über entsprechende Schnittstellen.
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Die Erfindung kann insbesondere die Kombination aus:
- a) Anzeige/Ausgabe von ermittelten Werten, Diagnose-, Trend- und Prozessdaten
- b) Bestimmung und Analyse der Faktoren bzgl. Netzqualität inkl. Anzeige/Ausgabe zum Zwecke des Anlagenschutzes und Vorausfallserkennung/-analyse
- c) Bestimmung und Speicherung/Anzeige/Ausgabe aller relevanten Daten zum Zeitpunkt der Auslöseentscheidung zum Zwecke Findung des Auslösegrundes (Zuordnung Fehlerort, Fehlerzeit, Fehlerursache) umfassen.
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Der Vorausfallserkennung können folgende Größen zu Grunde gelegt werden:
- – Spannungswerte je Phase auf Grenzwert Spannung
- – Spannungswerte der 3 Phasen auf Sternpunktsymmetrie zueinander (Sternpunktabweichung)
- – Ableitung des Differenzstromes nach der Zeit und dessen Darstellung über die Zeit
- – Ableitung des Differenzstromes nach der Zeit und dessen Darstellung im Frequenzbereich.
- – Spannungswerte je Phase auf Grenzwert Netzfrequenz (Abweichung von z.B. 50/60 Hz)
- – Stromwerte je Phase (optional inkl. N-Leiter) auf Grenzwerte (Überlast bzw. Derating)
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Die Erfindung ermöglicht die Integration einer Überwachungsfunktionalität in einem Fehlerstromschutzschalter. Es ergibt sich damit ein Zusatznutzen für den Endkunden. Vorteile:
- – Kostenersparnis für den Kunden bzw. Zusatznutzen
- – Platzersparnis im Schaltschrank
- – Verringerung des Verdrahtungsaufwandes
- – Vereinigung von reiner Anzeige Messdaten, Auswertung Netzqualität für Kriterium Vorausfallerkennung sowie Analyse der möglichen Ausfallursache bei Auslösung
- – Automatisierung der Anlage
- – Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit
- – Erweiterer Schutz der Anlage bzgl. Analyse der Netzqualität (Vorausfallserkennung)
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
