DE102015225423A1

DE102015225423A1 - Fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: DE102015225423A1
Application number: DE102015225423.2A
Authority: DE
Inventors: Manfred Adlhoch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2016-11-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter für einen Niederspannungs-Stromkreis, aufweisend einen Summenstromwandler, zur Ermittlung der Stromsumme des Stromkreises, eine damit verbundene netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit, die ein Netzteil aufweist, das mit dem Stromkreis verbunden ist, und eine damit verbundene Auslöseeinheit zur Unterbrechung des Stromkreises, die derart zusammenwirken, dass wenn die Stromsumme einen ersten Differenzstromwert überschreitet der Stromkreis durch die Auslöseeinheit unterbrochen wird. Ein Sensor ist mit der netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschaltereinheit verbunden.

Description

Fehlerstromschutzschalter für elektrische Stromkreise, insbesondere für Niederspannungsstromkreise bzw. -anlagen, sind allgemein bekannt und befinden 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.
In einem elektrischen Stromkreis ermitteln Fehlerstromschutzschalter die Stromsumme, die im Normalfall null ist, und unterbrechen beim Überschreiten eines Differenzstromwertes, d.h. einer Stromsumme von ungleich null, die einen bestimmten (Differenz-)Stromwert übersteigt, den elektrischen Stromkreis. Dazu weisen alle bisherigen Fehlerstromschutzschalter einen Summenstromwandler auf, dessen Primärwicklung durch die Leiter des Stromkreises gebildet wird und dessen Sekundärwicklung die Stromsumme bzw. ein Äquivalent abgibt, welche direkt oder indirekt zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises verwendet wird.
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.
Üblicherweise weist ein Fehlerstromschutzschalter neben dem Summenstromwandler, der den Differenzstromwert ermittelt, eine Auslöseeinheit zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises auf. Ferner eine Fehlerstromschutzschaltereinheit, die Summenstromwandler und Auslöseeinheit verbindet, so dass bei überschreiten eines bestimmten Differenzstromwertes, der in der Fehlerstromschutzschaltereinheit eingestellt werden kann, die Auslöseeinheit den elektrischen Stromkreis unterbricht. Derartige Fehlerstromschutzschaltereinheiten können netzspannungsabhängig als auch netzspannungsunabhängig ausgestaltet sein.
Im Allgemeinen haben netzspannungsunabhängige Fehlerstromschutzschalter eine sehr einfache Funktionsweise. Diese besitzen aufgrund der Netzspannungsunabhängigkeit und der Tatsache, dass kein Netzteil zur Energieversorgung vorhanden ist, eine sehr begrenzte Funktionalität.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Fehlerstromschutzschalter, insbesondere einen netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschalter, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen einen netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschalter durch einen Sensor zu erweitern. Dieser Sensor ist mit der netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschaltereinheit verbunden. Dieser Sensor ist eines anderen Types, d.h. insbesondere kein Summenstromwandler. Dies hat den besonderen Vorteil, dass durch den Sensor weitere Funktionen realisiert werden können bzw. ein Mehrnutzen erreicht werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor ein Strom, Spannungs- oder Temperatursensor. Dies hat den besonderen Vorteil, dass im Zusammenhang mit dem Summenstromwandler spezifischere Auswertungen für den Fehlerstromschutz möglich sind. Mittels eines zusätzlichen Stromsensors ist es möglich die Fehlauslösefestigkeit in Bezug auf Laststromspitzen zu optimieren. Dabei kann die Empfindlichkeit bezüglich der Symmetriefestigkeit und / oder auch die Problematik der technischen Ableitströme verbessert werden, in dem gezielt bei Auftreten von Laststromspitzen der RCD innerhalb der zulässigen Normgrenzen voll ausgenutzt werden kann. Somit können Fehlauslösungen aktiv vermieden bzw. die Auftretenswahrscheinlichkeit deutlich verringert werden. Durch die Verwendung eines Temperatursensors erfolgt primär der aktive Eigenschutz des Schutzschaltgerätes gegen Beschädigung und/oder Zerstörung, das heißt Ausfall der Schutzfunktion, infolge Übertemperatur auf Basis z.B. zu hoher Umgebungstemperatur oder zu hoher Lastströme. Hiermit erfolgt auch ein Zusatzschutz gegen einen Leitungsschutzschalter in dem Falle, welcher etwa dem thermischen Schutz nicht mehr gewährleisten kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Sensoren vorgesehen, die unterschiedlichen Typs sind. Dies hat den besonderen Vorteil, dass Überwachungsfunktionen und / oder Schutzfunktion konkret kombiniert werden können. Beispielsweise kann die Temperatur- und Laststromüberwachung gezielt kombiniert werden mit dem Fokus der Maximierung der Gerätesicherheit und Zuverlässigkeit.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens drei Sensoren vorgesehen, die unterschiedlichen Typs sind. Dies hat den besonderen Vorteil, dass mehrere Kontroll-, Überwachungs- und weitere Schutzfunktionen gezielt kombiniert werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Sensor außerhalb des Gehäuses des Fehlerstromschutzschalters angeordnet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der oder die Sensoren konkret dort zum Einsatz kommen, wo der jeweilige Überwachungsort zur höchsten Schutzwirkung führt, bzw. der Ort, wo ein Sensor zur höchsten Genauigkeit führen wird, da dies als der kritische Ort gesehen wird. Als kritische Orte sind die Orte zu sehen, an denen Fehler, wie Sicherheitsmängel, entstehen bzw. die Orte, an denen Folgefehler, wie beispielsweise durch Sicherheitsmängel bzw. Überschreiten der erlaubten Spezifikation, auftreten können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine netzspannungsunabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit parallel zur netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschaltereinheit vorgesehen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die netzspannungsabhängige Schutzfunktion jeweils ihren Schutz auf die netzspannungsunabhängige Fehlerstromschutzschaltfunktion mit ausweitet um so eine maximale Schutzfunktion zu erwirken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine netzspannungsunabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit mit einer parallelen Anordnung eines, beispielsweise aktiven, Sensors, verwendet. Eine netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit ist nicht vorgesehen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die netzspannungsunabhängige Schutzfunktion mit einer zusätzlicher Überwachungsfunktion bzw. -Sensorik erweitert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stromkreis ein Dreiphasenstromkreis, der Sensor ein Spannungssensor, wobei pro Phase ein Spannungssensor vorgesehen ist und die netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit derart ausgestaltet, dass eine Frequenzanalyse durchgeführt wird, wobei die Spannungsmessung zur Ermittlung eines Phasenbezuges oder zur Ermittlung des Ausfalls einer Phase verwendet wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Überwachung des Stromkreises auf Funktion, Qualität und Güte hin erfolgen kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor ein Stromsensor und die netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit derart ausgestaltet, dass Stromspitzen erkannt werden und bei vorliegen einer Stromspitze das Auslöseverhalten derart verändert wird, dass die maximal mögliche Auslösezeit bis zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises verwendet wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass zum einen der Fehlerstromschutzschalter weniger anfällig gegen Stromspitzen und Schaltvorgänge wird (infolge Symmetrieverhalten des Summenstromwandlers und infolge des Auftretens von technischen Ableitströmen bei Stromspitzen und Ein-/Ausschaltvorgängen). Zum anderen kann gezielt eine Warnung erfolgen z.B. mittels Anzeigeelement.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor ein Temperatursensor und die netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit derart ausgestaltet, dass bei Überschreitung eines ersten Temperaturgrenzwertes

a) eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises durch die Auslöseeinheit erfolgt oder/und
b) eine Warnung abgegeben wird oder/und
c) die Temperaturüberschreitung protokolliert wird.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass sich der Fehlerstromschutzschalter gegen Überhitzung aktiv selbst schützen kann und nicht durch Fremdgeräte wie Leistungsschutzschalter bzw. kundenseitiges Einhalten von Deratingwerten abhängig ist. Es kann ein aktiver Eigenschutz zur Erhaltung des Fehlerstromschutzes realisiert werden, wie Aufrechterhaltung von Personen- und / oder Brandschutz des Fehlerstromschutzschalters.
Alle Ausgestaltungen der Erfindung bewirken eine Verbesserung eines Fehlerstromschutzschalters.
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.
Dabei zeigt die Figur ein Blockschaltbild eines Fehlerstromschutzschalters zur Erläuterung der Erfindung
Die Figur zeigt einen Fehlerstromschutzschalter FI, beispielsweise für einen Niederspannungs-Stromkreis, beispielsweise ein Dreiphasen-Niederspannungs-Stromkreis mit 4 Leitern L1, L2, L3, N, wobei die Leiter L1, L2, L3 die Phasenleiter und der Leiter N der Neutralleiter bzw. PE-Leiter ist, aufweisend

– einen Summenstromwandler SW, zur Ermittlung der Stromsumme des Stromkreises, beispielsweise der Leiter L1, L2, L3, N, eine damit verbundene,
– netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit FIE, die ein Netzteil PS aufweist bzw. mit einem Netzteil PS verbunden ist, das mit dem Stromkreis, i.B. mit den Leitern L1, L2, L3, N verbunden ist, eine mit der Fehlerstromschutzschaltereinheit FIE verbundene
– Auslöseeinheit AE zur Unterbrechung des Stromkreises, i.B. der Leiter L1, L2, L3, N.

Die genannten Einheiten wirken derart zusammen, dass wenn die Stromsumme des Stromkreises, i.B. der Leiter L1, L2, L3, N, einen ersten Differenzstromwert überschreitet, der Stromkreis durch die Auslöseeinheit unterbrochen wird. Der erste Differenzstromwert kann beispielsweise in der Fehlerstromschutzschaltereinheit FIE eingestellt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit FIE mit mindestens einem Sensor SE verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist der Sensor SE eines anderen Typs, d.h. kein Summenstromwandler. Der Sensor SE kann beispielsweise ein Strom-, Spannungs- oder/und Temperatursensor sein. Es können auch mehrere Sensoren gleichen oder unterschiedlichen Typs vorgesehen sein. Mit diesem zusätzlichen Sensor(en) kann ein Mehrnutzen des Fehlerstromschutzschalters, beispielsweise für einen Betreiber bzw. Kunden, erreicht werden.
Die Wechselwirkung des Sensors SE mit der netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschaltereinheit FIE kann dahingehend sein, dass der/die Sensor(en) die Fehlerstromschutzschaltereinheit FIE im Ganzen überwacht und damit ein höheres Sicherheitslevel zur Verfügung stellt.
Der Sensor SEN ist mit der netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschaltereinheit FIE verbunden und bewirkt mittels beispielsweise analoger und/oder digitaler Schaltungstechnik, wie Mikrocontroller, Sicherheitsfunktionen und Auslöseentscheidungen. Alternativ kann der Sensor eine eigene Steuerungseinheit, wie einen Mikrocontroller, aufweisen. Hierbei kann beispielsweise bei einer netzspannungsunabhängigen Fehlerstromschutzschaltereinheit FIE eine Verbindung entfallen. Hierbei ist der Sensor SE direkt mit Auslöseeinheit AE verbunden, um im Falle eines erkannten Fehlers bzw. Fehlerbildes den Stromkreis zu unterbrechen respektive den Fehlerstromschutzschalter zur Auslösung zu bringen.
Der Sensor SE kann eine Erfassungseinheit zur Ermittlung eines physikalischen Wertes (z.B. Strom, Temperatur, Spannung, etc.), eine Sensorsteuerung oder/und eine Auswerteeinheit aufweisen. In der Sensorsteurung oder/und Auswerteeinheit können Funktionen wie Filterung, Verstärkung und Signalanpassung realisiert sein. Hierbei kann das Sensorsignal hinsichtlich Auflösung und Genauigkeit verarbeitet oder/und optimiert werden.
Optional kann eine weitere netzspannungsunabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit vorgesehen sein.
Der zusätzliche Sensor kann im Gerät integriert, als auch extern vorhanden sein.
Der Sensor bzw. ein Teil der Sensoren kann beispielsweise ein Spannungssensor sein bzw. mehrere Spannungssensoren, zur Spannungsmessung einer bzw. mehrerer Phasen, d.h. der Leiter L1, L2, L3. Damit kann ein Phasenbezug L 1/L2/L3 bei einer Frequenzanalyse in der netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschaltereinheit, beispielsweise bei einer Fehlerstromschutzschaltereinheit vom Typ B, die Wechsel-, pulsierende und glatte Gleichfehlerströmen erfassen kann, erkannt werden. Des Weiteren kann eine Messung der Spannungsqualität (Netzqualität) durchgeführt werden.
Der Sensor bzw. ein Teil der Sensoren kann beispielsweise ein Stromsensor sein, zur Strommessung einer bzw. mehrerer Phasen. Damit ist eine Verbesserung der Symmetriefestigkeit bzw. Fehlauslösefestigkeit durch aktive Erkennung von problematischen Stromspitzen möglich. Damit ist eine Anpassung der Fehlerstromschutzschalter Auslöseempfindlichkeit auf maximal erlaubte Verzögerung möglich. Des Weiteren ist eine Erkennung von Lastspitzen bei Antrieben bzw. in der Antriebstechnik möglich. Dadurch können technische Ableitströme im Gegensatz zu echten Fehlerströmen besser erkannt werden.
Der Sensor bzw. ein Teil der Sensoren kann beispielsweise ein Temperatursensor sein. Dieser kann beispielsweise zur Temperaturmessung im Gerät verwendet werden. Damit ist beispielsweise eine Auslösung bei Überschreitung der Grenztemperaturen im Fehlerstromschutzschalter möglich, um diesen vor einer Zerstörung zu bewahren. Ferner kann eine interne Protokollierung von Temperaturüberschreitungen erfolgen. Weiterhin können Warnungen, z.B. mit einer optischen Anzeige, beispielsweise mit einer LED, ausgegeben werden.
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.

Claims

Fehlerstromschutzschalter (FI) für einen Niederspannungs-Stromkreis (L1, L2, L3, N), aufweisend – einen Summenstromwandler (SW), zur Ermittlung der Stromsumme des Stromkreises (L1, L2, L3, N), eine damit verbundene – netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit (FIE), die ein Netzteil (PS) aufweist, das mit dem Stromkreis (L1, L2, L3, N) verbunden ist, und eine damit verbundene – Auslöseeinheit (AE) zur Unterbrechung des Stromkreises (L1, L2, L3, N), die derart zusammenwirken, dass wenn die Stromsumme einen ersten Differenzstromwert überschreitet der Stromkreis (L1, L2, L3, N) durch die Auslöseeinheit (AE) unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (SE) mit der netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschaltereinheit (FIE) verbunden ist.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (SE) ein Strom, Spannungs- oder Temperatursensor ist.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sensoren (SE) vorgesehen sind, die unterschiedlichen Typs sind.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Sensoren (SE) vorgesehen sind, die unterschiedlichen Typs sind.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (SE) außerhalb des Gehäuses des Fehlerstromschutzschalters angeordnet ist.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine netzspannungsunabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit parallel zur netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschaltereinheit (FIE) vorgesehen ist.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkreis (L1, L2, L3, N) ein Dreiphasenstromkreis (L1, L2, L3, N) ist, der Sensor (SE) ein Spannungssensor ist, wobei pro Phase ein Spannungssensor vorgesehen ist und dass die netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit (FIE) derart ausgestaltet ist, dass eine Frequenzanalyse durchgeführt wird, wobei die Spannungsmessung zur Ermittlung eines Phasenbezuges oder zur Ermittlung des Ausfalls einer Phase verwendet wird.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (SE) ein Stromsensor ist und dass die netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit (FIE) derart ausgestaltet ist, dass Stromspitzen erkannt werden und bei vorliegen einer Stromspitze das Auslöseverhalten derart verändert wird, dass die maximal mögliche Auslösezeit bis zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises (L1, L2, L3, N) verwendet wird.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (SE) ein Temperatursensor ist und dass die netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit (FIE) derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreitung eines ersten Temperaturgrenzwertes a) eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises durch die Auslöseeinheit erfolgt oder/und b) eine Warnung abgegeben wird oder/und c) die Temperaturüberschreitung protokolliert wird.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (SE) ein Stromsensor vom Typ Shunt, Hall oder Stromwandler ausgeführt ist.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit (FIE) durch eine netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit ersetzt ist und der Sensor mit der netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit oder der Auslöseeinheit verbunden ist.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit (FIE) inklusive Netzteil (PS) durch eine netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit ersetzt ist und der Sensor mit der netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit oder der Auslöseeinheit verbunden ist.
Fehlerstromschutzschalter (FI) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit (FIE) durch eine netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit ersetzt ist und der Sensor mit dem Netzteil (PS) und der netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschaltereinheit oder der Auslöseeinheit verbunden ist.