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Die Erfindung betrifft einen Brandschutzschalter für serielle Fehlerlichtbögen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, einen Niederspannungsstromkreis und ein Verfahren zur Ermittlung von seriellen Fehlerlichtbögen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 16.
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Mit Niederspannung sind Spannungen von bis zu 1000 Volt Wechselspannung oder bis zu 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung, mit Werten von 25 oder 50 Volt Wechselspannung bzw. 60 oder 120 Volt Gleichspannung, sind. Mit Niederspannungsstromkreis bzw. -netz oder -anlage sind Stromkreise mit Bemessungsströmen von bis zu 125 Ampere, spezifischer bis zu 63 Ampere gemeint.
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Mit eine Netzfrequenz aufweisenden Niederspannungsstromkreis sind insbesondere Wechselspannungsstromkreise gemeint. Mit Netzfrequenz sind Frequenzen im Bereich 10 Hz bis 1 KHz gemeint. Insbesondere Frequenzen von 50 Hz, 60 Hz, 400 Hz oder 16 2/3 Hz. Speziell werden Frequenzen von 50 Hz in europäischen Niederspannungsstromkreisen bzw. -netzen verwendet; 60 Hz in (US-)amerikanischen Netzen.
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Mit Fehlerlichtbögen sind Lichtbögen gemeint, die im Fehlerfall auftreten, d.h. die durch Fehler im Stromkreis entstehen. Beispielsweise durch schlecht geklemmte bzw. fehlerhafte Verbindungen im elektrischen Stromkreis, beispielsweise durch schlecht geklemmte bzw. schlecht leitende Kontakte, z.B. in Verteilerdosen, Schaltern oder Steckdosen des Niederspannungsstromkreises.
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Nicht gemeint sind (Stör-)Lichtbögen, wie sie beispielsweise beim regulären Betrieb eines Netzes, z.B. beim Schalten bzw. an den Bürsten eines Motors, auftreten.
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Mit seriellen Fehlerlichtbögen sind Lichtbögen gemeint, die im Strompfad des Stromkreises auftreten, d.h. über den Lichtbogen fließt der Strom, der z.B. auch über einen Verbraucher fließt. D.h. fließt ein Strom in einem „fast unterbrochenen“ Leiter entsteht an der Unterbrechungsstelle ein so genannter serieller Fehlerlichtbogen.
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Im Gegensatz dazu sind parallele Lichtbögen nicht gemeint, d.h. Lichtbögen die zwischen zwei Leitern eines Stromkreises auftreten, d.h. wenn ein (Fast-)Kurzschluss mit einem anderen Leiter auftritt.
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Brandschutzschalter sind relativ neuartige Schutzeinrichtungen für Stromkreise bzw. Spannungsnetze und dienen zum Erkennen von Fehlerlichtbögen. Solche Fehlerlichtbögen können durch schlecht geklemmte elektrische Verbindungen in Verteilerdosen oder Steckdosen bzw. durch schlechte Isolierungen und Kontakte entstehen. Brandschutzschalter können insbesondere in Hausinstallationseinrichtungen, wie Sicherungskästen, eingesetzt werden, um derartige Fehler zu erkennen und bei vorliegen eines Fehlers, d.h. Erkennung eines Fehlerlichtbogens, z.B. durch Überschreitung eines Fehlerlichtbogengrenzwertes, eine Initiierung zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreis veranlassen, selbst unterbrechen bzw. ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgeben.
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Brandschutzschalter werden in Installationen von Niederspannungsstromkreisen häufig pro verwendeten Abzweig zu einem Verbraucher, häufig an der Stelle des Abzweigs, wie in einem Sicherungskasten, eingefügt. Pro Abzweig wird in der Regel ein Brandschutzschalter verwendet.
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Brandschutzschalter arbeiten mit im Detail verschiedenen Detektionsprinzipien bzw. -verfahren und -techniken.
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Häufig wird das Spektrum bzw. Rauschen, das durch einen Fehlerlichtbogen erzeugt wird, insbesondere in einem Hochfrequenzbereich, ermittelt und ausgewertet.
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Hierbei werden häufig sehr komplexe Analysen vorgenommen.
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Bei parallelen Abzweigen bzw. parallel liegenden Leitungen, die durch unterschiedliche Brandschutzschalter abgesichert sind, tritt in der Praxis das Problem auf, dass bei einem Fehler in einem Abzweig auch die parallele Leitung bzw. der parallele Abzweig durch Übersprechen ein Fehlerlichtbogenspektrum (z.B. des hochfrequenten Rauschens des Fehlerlichtbogen) erhält bzw. aufgeprägt bekommt, was durch den parallelen Brandschutzschalter erkannt wird und zur Abschaltung eines - an sich fehlerfreien - Abzweiges durch den Brandschutzschalter führt.
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Dies soll an Hand der 1 und 2 näher erläutert werden. 1 zeigt einen Niederspannungsstromkreis mit zwei Leitern L, N, z.B. einem Phasenleiter L und einem Neutralleiter N, die einen ersten Abzweig mit einem ersten Verbraucher LOAD1, an den die beiden Leiter angeschlossen sind, und einen zweiten Abzweig mit einem zweiten Verbraucher LOAD2, an den ebenfalls die beiden Leiter angeschlossen sind, aufweist. Dem ersten Verbraucher LOAD1 ist ein Brandschutzschalter AFDD vor- bzw. zwischen-geschaltet. Dem zweiten Verbraucher LOAD2 ist ein Leitungsschutzschalter MCB vor- bzw. zwischengeschaltet.
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Tritt nun in einem der beiden Leiter zum ersten Verbraucher LOAD1 ein serieller Fehlerlichtbogen arc auf, wird dies vom Brandschutzschalter AFDD erkannt und kann zur direkten oder indirekten Unterbrechung des elektrischen Niederspannungsstromkreises dieses Abzweiges führen.
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Im Beispiel ist als Niederspannungsstromkreis ein Einphasen-Wechselstromnetz mit zwei Leitern gezeigt, analoges gilt für einen Dreiphasenwechselstromnetz mit 3 (Phasen-)Leitern bzw. 3 (Phasen-)Leiter plus Neutralleiter oder andere Netzformen.
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2 zeigt eine Anordnung gemäß 1, mit dem Unterschied, dass in den Leitern zum ersten Verbraucher LOAD1 kein (serieller) Fehlerlichtbogen vorhanden ist; allerdings ist in den Leitern zum zweiten Verbraucher LOAD2 ein (serieller) Fehlerlichtbogen arc vorhanden. Die Leitungen der beiden Abzweige sind dabei parallel bzw. benachbart bzw. in der Nähe zueinander. Durch Übersprechen Cross-talk wird nun das Spektrum des Fehlerlichtbogens arc in den Leitungen vom zweiten Verbraucher LOAD2 auf die (fehlerfreien) Leitungen des ersten Verbrauchers LOAD1 gekoppelt. Dies wird vom Brandschutzschalter AFDD erkannt und führt zur Unterbrechung des fehlerfreien Abzweiges zum ersten Verbraucher LOAD1.
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Wenn der Brandschutzschalter AFDD noch nicht eingeschaltet ist, aber im zweiten Abzweig ein Fehlerlichtbogen arc vorliegt, wird dies nach dem Einschalten des Brandschutzschalters AFDD erkannt und führt zur Auslösung bzw. Abgabe eine Fehlerlichtbogenerkennungssignals. D.h. der erste Abzweig kann nicht dauerhaft mit Energie versorgt werden, obwohl dieser an sich fehlerfrei ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brandschutzschalter zu verbessern, insbesondere eine Versorgung eines Stromkreises zu ermöglichen, wenn durch parallel liegende Leitungen ein Fehlerlichtbogen-Übersprechen auftreten könnte.
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Diese Aufgabe wird durch einen Brandschutzschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Niederspannungsstromkreis gemäß Patentanspruch 15 oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Brandschutzschalter für einen eine Netzfrequenz aufweisenden Niederspannungsstromkreis zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen aufweist:
- - einen ersten Sensor zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreis,
- - einer mit dem ersten Sensor verbundene Steuerungseinheit, die derart ausgestaltet ist, dass serielle Fehlerlichtbögen im elektrischen Niederspannungsstromkreis ermittelt werden und bei Erkennung eines Fehlerlichtbogens ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird.
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Bei Unterschreitung eines ersten Schwellwertes der Höhe des Stromes wird eine Ermittlung hinsichtlich serieller Fehlerlichtbögen durchgeführt,
bei Erkennung eines Fehlerlichtbogens wird eine Unterbrechungssperre aktiviert,
bei nachfolgender Überschreitung des ersten Schwellwertes der Höhe des Stromes und aktivierter Unterbrechungssperre wird kein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgegeben.
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Damit wird vorteilhaft verhindert, dass bei vor dem Einschalten des Brandschutzschalters bzw. vor dem Fließen eines Stromes im Niederspannungsstromkreis des Brandschutzschalters durch Übersprechen anliegende Fehlerlichtbogensignale erkannt werden sowie eine Unterbrechung des Stromkreises durch den Brandschutzschalter nach dessen Einschalten bzw. Anschluss eines Verbraucher auf Grund von durch Übersprechen bewirkten Fehldetektionen vermieden wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Überschreitung des ersten Schwellwertes der Höhe des Stromes die Unterbrechungssperre deaktiviert, wenn für eine erste Zeitspanne ein Fehlerlichtbogen nicht erkannt wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass nach dem Wegfall des Übersprechens die Unterbrechungssperre deaktiviert wird und der Brandschutzschalter wieder mit seiner vollen Überwachungsfunktion zur Verfügung steht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Netzfrequenzbereich durch eine Frequenz im Bereich 10 Hz bis 1 KHz definiert, insbesondere durch eine Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass insbesondere in Wechselstromnetzen eine Verbesserung der eindeutigen Erkennung von Fehlerlichtbögen ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ermittelt der erste Sensor die Höhe des Stromes im Bereich der Netzfrequenz.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders genaue Ermittlung der Stromhöhe im relevanten Bereich ermöglicht wird, beispielsweise durch Einsatz eines Filters.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein zweiter Sensor zur Ermittlung der Höhe von Pegeln in einem Hochfrequenzbereich des Niederspannungsstromkreises vorgesehen, der mit der Steuerungseinheit verbunden ist. Der zweite Sensor (SR2) ermittelt insbesondere als Pegel eine Spannung, einen Strom oder eine Leistung im Hochfrequenzbereich.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass durch den Einsatz zweier bzw. eines zweiten Sensors eine genauerer Ermittlung von Fehlerlichtbögen ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Hochfrequenzbereich durch einen Bereich von 10 KHz bis 50 MHz definiert ist, insbesondere durch einen Bereich von 30 KHz bis 30 MHz, spezieller durch Frequenzen im Bereich um 2 MHz. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders gute Erkennung von Fehlerlichtbögen ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Fehlerlichtbogenereignis definiert durch:
- 1. die Überschreitung eines ersten Schwellwertes der Höhe des Stromes im Netzfrequenzbereich;
- 2. die Überschreitung eines zweiten Schwellwertes der Höhe des Pegels im Hochfrequenzbereich und
- 3. die Überschreitung eines dritten Schwellwertes der Ableitung des Pegels im Hochfrequenzbereich nach der Zeit.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache und zuverlässige Erkennung von Fehlerlichtbogenereignissen bzw. Fehlerlichtbögen ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein dritter Sensor zur Ermittlung der Höhe der Spannung, insbesondere im Netzfrequenzbereich, des Niederspannungsstromkreises vorgesehen, der mit der Steuerungseinheit verbunden ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine genaue Ermittlung der Höhe der Spannung ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist bei Unterschreitung des ersten Schwellwertes der Höhe des Stromes ein Fehlerlichtbogenereignis definiert durch:
- 1. die Überschreitung eines Spannungsschwellwertes der Höhe der Spannung im Bereich der Netzfrequenz;
- 2. die Überschreitung des zweiten Schwellwertes der Höhe des Pegels im Hochfrequenzbereich und
- 3. die Überschreitung des dritten Schwellwertes der Ableitung des Pegels im Hochfrequenzbereich nach der Zeit.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Erkennung eines Fehlerlichtbogenereignisses ermöglicht wird, wenn kein Strom bzw. ein nur sehr geringer Strom fließt. An Stelle des Stromes wird in diesem Fall erfindungsgemäß das Vorliegen einer Spannung für die Fehlerlichtbogenerkennung verwendet.
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Somit kann bei noch nicht eingeschaltetem Brandschutzschalter bzw. z.B. fehlendem Verbraucher auf das Vorliegen von Fehlerlichtbogensignalen auf der - eigentlich inaktiven - Leitung geschlossen werden, die durch Übersprechen eingekoppelt wurden, und ein Abschalten des Brandschutzschalters nach dessen Einschalten bzw. z.B. Anschluss des Verbrauchers vermieden werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird jedes, insbesondere konsekutiv auftretende, Fehlerlichtbogenereignis (über der Zeit) zu einer Fehlerlichtbogensumme integriert oder summiert. Bei Überschreitung eines Fehlerlichtbogengrenzwertes wird ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgegeben.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal erst bei vorliegen mehrerer nacheinander folgender Fehlerlichtbogenereignisse abgegeben wird, so dass Fehlauslösungen auf Grund eines zufälligen Fehlerlichtbogenereignisses vermieden werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist bei einer Integration die Integrationsgeschwindigkeit von der Höhe des Stromes im Netzfrequenzbereich abhängig, insbesondere dass bei höherem Strom schneller integriert wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass insbesondere bei höheren Strömen, die ein höheres Schadenspotential beinhalten, eine schnellere Unterbrechung des elektrischen Stromkreises initiiert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Unterbrechungseinheit vorgesehen, die bei Vorliegen eines Fehlerlichtbogenerkennungssignals den Stromfluss im Niederspannungsstromkreis unterbricht.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei Vorliegen eines Fehlerlichtbogenerkennungssignals eine Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises erfolgt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Brandschutzschalter ein Gehäuse auf.
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Die Unterbrechungseinheit kann innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, so dass vorteilhaft ein kompakter Schalter gegeben ist.
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Die Unterbrechungseinheit kann außerhalb des Gehäuses des Brandschutzschalters angeordnet sein. Sie kann beispielsweise Teil eines anderen Schalters sein, wie beispielsweise eines Leitungsschutzschalters oder Fehlerstromschutzschalters, so dass vorteilhaft ein vorhandenes Netz mit einer Brandschutzschalterfunktion nachgerüstet werden kann, ohne unnötigen Bauraum zu verschwenden. Das Fehlerlichtbogenerkennungssignal kann zur Unterbrechungseinheit übertragbar sein bzw. wird zur Unterbrechungseinheit übertragen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brandschutzschalter in einem ersten Abzweig des Niederspannungsstromkreises angeordnet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind ferner Leitungen eines zweiten Abzweiges des Niederspannungsstromkreises zumindest teilweise parallel zum ersten Abzweig angeordnet sind.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass insbesondere bei mehreren Abzweigen eine zuverlässige Erkennung von Fehlerlichtbögen ermöglicht wird und somit auch Leitungen dicht gepackt nebeneinander verlegt werden können.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Niederspannungsstromkreis, aufweisend ein erfindungsgemäßer Brandschutzschalter, beansprucht.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin parallel ein Verfahren, bei dem serielle Fehlerlichtbögen in einem elektrischen Niederspannungsstromkreis ermittelt werden und bei Erkennung eines Fehlerlichtbogens ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird, beansprucht.
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Bei Unterschreitung eines ersten Schwellwertes der Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis wird eine Ermittlung hinsichtlich serieller Fehlerlichtbögen durchgeführt. Bei Erkennung eines Fehlerlichtbogens wird eine Unterbrechungssperre aktiviert. Bei nachfolgender Überschreitung des ersten Schwellwertes der Höhe des Stromes und aktivierter Unterbrechungssperre wird kein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgegeben.
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Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf die unabhängigen Patentansprüche, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Brandschutzschalters.
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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 der Zeichnung näher erläutert werden.
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Dabei zeigt die Zeichnung:
- 1 eine erste Darstellung eines Niederspannungsstromkreises zur Erläuterung der Erfindung,
- 2 eine zweite Darstellung eines Niederspannungsstromkreises zur Erläuterung der Erfindung,
- 3 eine erste Darstellung von Signalverläufen,
- 4 eine zweite Darstellung von Signalverläufen,
- 5 eine dritte Darstellung von Signalverläufen,
- 6 eine vierte Darstellung von Signalverläufen,
- 7 eine fünfte Darstellung von Signalverläufen,
- 8 ein erstes Blockschaltbild eines Brandschutzschalters,
- 9 ein zweites Blockschaltbild eines Brandschutzschalters,
- 10 ein drittes Blockschaltbild eines Brandschutzschalters,
- 11 ein viertes Blockschaltbild eines Brandschutzschalters.
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1 und 2 zeigen eine Prinzipdarstellung eines Niederspannungsstromkreises mit zwei Abzweigen, wie eingangs dargelegt.
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3 zeigt fünf Signalverläufe über der Zeit Time. Von oben nach unten:
- 1. Den Verlauf des elektrischen Stromes I in einem Niederspannungsstromkreis, beispielsweise im ersten Abzweig mit dem Verbraucher LOAD1 gemäß 1.
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Im ersten Abschnitt ist ein fehlerfreier Fall mit einem sinusförmigen Verlauf des Stromes I dargestellt.
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Im zweiten Abschnitt ist ein Fehlerfall mit einem seriellen Fehlerlichtbogen Series arc dargestellt, der einen nur annähernd sinusförmigen Verlauf des Stromes I aufweist.
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Es ist ein erster Schwellwert G1, jeweils als positiver bzw. negativer Schwellwert des gleichen Betrags, eingezeichnet In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Fehlerlichtbogenerkennung bzw. ein Fehlerlichtbogenereignis erst bei Überschreitung dieses (positiven oder negativen) ersten Schwellwertes G1. Der erste Schwellwert G1 kann beispielsweise 1 A betragen, im Bereich um 1 A liegen bzw. einen Wert im Bereich von 500 mA bis 5 Ampere aufweisen.
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2. Den Verlauf eines Pegels RSSI im Hochfrequenzbereich. Im ersten Abschnitt ist wieder der fehlerfreie Fall dargestellt, mit einem geringen Pegel. Im zweiten Abschnitt wieder der Fehlerfall, mit einem hohen Pegel. Es ist ein zweiter Schwellwert G2 eingezeichnet.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Fehlerlichtbogenerkennung bzw. ein Fehlerlichtbogenereignis erst bei Überschreitung dieses zweiten Schwellwertes G2.
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Der Pegel RSSI kann eine Spannung, ein Strom, eine Leistung oder ein Äquivalent dessen sein. Es kann der direkte Pegel als auch ein logarithmierter Pegel sein. Es kann beispielsweise der Pegel bei einer bestimmten Frequenz im Hochfrequenzbereich, bzw. der Pegel in einem bestimmten Frequenzbereich, d.h. eine gewisse Bandbreite bei einer Frequenz, im Hochfrequenzbereich sein.
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Beispielsweise kann dies der Pegel bei einer Frequenz von 2 MHz mit einer Bandbreite von 300 KHz sein. Beispielsweise kann der zweite Schwellwert im Bereich 300 mV bis 1 Volt liegen.
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Der zweite Schwellwert G2 kann ein relativer Schwellwert sein, d.h. die Höhe ändert sich, beispielsweise in Abhängigkeit vom Rauschen bzw. Rauschpegel auf der Leitung.
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3. Der Verlauf der ersten Ableitung des Pegels RSSI im Hochfrequenzbereich über der Zeit dRSSI/dt.
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Im ersten Abschnitt ist wieder der fehlerfreie Fall dargestellt, bei dem die Ableitung nach der Zeit den Wert Null aufweist. Im zweiten Abschnitt wieder der Fehlerfall, mit Spitzen, ähnlich einem Dirac-Impuls, bei den Flanken des Pegels RSSI.
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Es ist ein dritter Schwellwert G3, jeweils als positiver bzw. negativer (-G3) Schwellwert des gleichen Betrags, eingezeichnet.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Fehlerlichtbogenerkennung bzw. ein Fehlerlichtbogenereignis erst bei Überschreitung dieses (positiven oder negativen) dritten Schwellwertes G3.
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Der dritte Schwellwert G3 kann beispielsweise bei 5000 Volt/s liegen.
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4. Der Verlauf eines Fehlerlichtbogenereignisses Arc detector, das sich in diesem Beispiel aus der Summe der Überschreitung des ersten Schwellwertes G1 (der Höhe des Stromes I im Netzfrequenzbereich); der Überschreitung des zweiten Schwellwertes G2 der Höhe des Pegels RSSI im Hochfrequenzbereich und der Überschreitung des dritten Schwellwertes G3 der Ableitung des Pegels RSSI im Hochfrequenzbereich nach der Zeit dRSSI/dt zusammen setzt, für jeweils eine Halbwelle des elektrischen Stromes I.
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Im ersten Abschnitt ist wieder der fehlerfreie Fall dargestellt, bei dem keine Impulse eines Fehlerlichtbogenereignisses vorliegen. Im zweiten Abschnitt wieder der Fehlerfall, mit (fortlaufenden) Impulsen für ein Fehlerlichtbogenereignis.
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5. Der Verlauf einer Fehlerlichtbogensumme Fault integrator, bei dem im Beispiel jedes Fehlerlichtbogenereignis zu einer Fehlerlichtbogensumme integriert oder summiert wird. Ein Fehlerlichtbogengrenzwert G4 bzw. vierter Schwellwert G4 ist vorgesehen, bei dessen Überschreitung ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird.
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Im Beispiel muss fünf Mal ein Fehlerlichtbogenereignis vorliegen, ehe der Fehlerlichtbogengrenzwert G4 bzw. vierte Schwellwert G4 erreicht wird, und ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird.
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Die Integrationsgeschwindigkeit kann dabei von der Höhe des Stromes I abhängen. Alternativ kann der Fehlerlichtbogengrenzwert G4 dynamisch von der Höhe des Stromes abhängen. Beispielsweise kann ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal bei einem Strom von 2,5 A innerhalb von 800 ms (langsame Integrationsgeschwindigkeit) abgegeben werden. Bei einem Strom von 16 A innerhalb von 100 ms (schnelle Integrationsgeschwindigkeit).
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4 zeigt eine Darstellung gemäß 3, mit dem Unterschied, dass zwar ein Fehlerlichtbogenereignis vorliegt bzw. detektiert wird, allerdings durch einen Pegel, der durch ein Übersprechen von einer (anderen) gestörten Leitung herrührt, beispielswiese gemäß 2, und in einer ungestörten Leitung eigekoppelt wird.
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4 ist identisch mit 3, mit dem Unterschied, dass der Stromverlauf I in beiden Abschnitten sinusförmig ist.
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5 zeigt eine Darstellung gemäß 4, mit dem Unterschied, dass ein Pegel RSSI im Hochfrequenzbereich und folglich auch die Ableitung des Pegel nach der Zeit RSSI/dt durch Übersprechen Cross-talk vor dem Fließen eines elektrischen Stromes im Netzfrequenzbereich des Niederspannungsstromkreises vorliegen.
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Mit dem Einschalten des Brandschutzschalters bzw. dem Einschalten eines Verbrauchers, gekennzeichnet durch den Abschnitt Switched load, fließt ein Strom im Netzfrequenzbereich des Niederspannungsstromkreises, folglich dessen liegen ab diesem Zeitpunkt Fehlerlichtbogenereignisse Arc detector vor, folglich dessen erfolgt eine Integration bzw. Summation der Fehlerlichtbogenereignisse Arc detector zu einer Fehlerlichtbogensumme Fault integrator, wobei mit Erreichen des Fehlerlichtbogengrenzwertes G4 ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird, dass z.B. zu einer Unterbrechung des elektrischen Stromkreises führt.
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Damit würde der Niederspannungsstromkreis kurz nach dem Einschalten unterbrochen werden. Ein erneutes Einschalten würde zu dem gleichen Ergebnis führen. Eine Energieversorgung wäre nicht sicher gestellt.
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6 zeigt eine Darstellung gemäß 5, mit dem Unterschied, dass an erster Stelle der Verlauf der elektrischen Spannung U über der Zeit dargestellt ist. Erfindungsgemäß wird zur Erkennung eines Fehlerlichtbogens vor dem Einschalten, d.h. vor dem Fließen eines elektrischen Stromes bzw. vor der Überschreitung des ersten Schwellwertes G1 der Höhe des Stromes I im Bereich der Netzfrequenz, an Stelle des Stromes I die Spannung U bzw. die Überschreitung des Spannungsschwellwertes G5 bzw. fünftem Schwellwert G5, der jeweils als positiver bzw. negativer (-G5) Schwellwert des gleichen Betrags eingezeichnet ist, zur Erkennung eines Fehlerlichtbogenereignisses verwendet.
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D.h. wenn der Spannungsschwellwertes G5 bzw. fünfte Schwellwert überschritten wird, die Überschreitung des zweiten Schwellwertes G2 der Höhe des Pegels RSSI im Hochfrequenzbereich und die Überschreitung des dritten Schwellwertes G3 der Ableitung des Pegels RSSI im Hochfrequenzbereich nach der Zeit dRSSI/dt vorliegt, liegt ein Fehlerlichtbogenereignis vor (vor dem Einschalten bzw. vor dem Überschreiten des ersten Schwellwertes der Höhe des Stromes).
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In einem solchen Fall, wird mit Erreichen des Fehlerlichtbogengrenzwertes (G4) ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal unterdrückt SW-Trip und eine Unterbrechungssperre Trip disable aktiviert. Der Verlauf des Wertes der Unterbrechungssperre ist in 6 ganz unten dargestellt.
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Kommt es während des Vorliegens der Unterbrechungssperre zu einem Einschalten bzw. Überschreiten des ersten Schwellwertes G1 des Stromes, wird ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal unterdrückt.
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Zyklisch kann vorteilhaft weiter geprüft werden, ob Fehlerlichtbogenereignisse vorliegen bzw. der Fehlerllichtbogengrenzwert G4 erreicht wird. In diesem Fall bleibt die Unterbrechungssperre weiter aktiv.
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Erst wenn keine Fehlerlichtbogenereignisse bzw. der Fehlerlichtbogengrenzwert G4 nicht mehr erreicht wird bzw. der Fehlerlichtbogengrenzwert G4 nach einer ersten Zeitspanne t1 nicht mehr erreicht wird, erfolgt z.B. ein Rücksetzen der Integration bzw. Summation Integrator reset, sowie ein deaktivieren der Unterbrechungssperre Trip disable, zum Zeitpunkt Trip enabled.
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Dies ist in 7 gezeigt. 7 zeigt eine Darstellung gemäß 6, mit dem Unterschied, dass der Spannungsverlauf U und Stromverlauf I weitergehen, allerdings die Pegel RSSI und folglich deren Ableitung RSSI/dt ab einem gewissen Zeitpunkt nicht mehr vorliegen. Folglich fehlen ab diesem Zeitpunkt die Fehlerlichtbogenereignisse, der Fehlerlichtbogengrenzwert wird nicht erreicht, nach einer ersten Zeitspanne t1 erfolgt ein Rücksetzen der Integration bzw. Summation „Integrator reset“, parallel dazu die Deaktivierung der Unterbrechungssperre Trip disable zum Zeitpunkt Trip enabled.
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D.h. der Brandschutzschalter arbeitet ab diesem Zeitpunkt in seinem üblichen Modus.
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8 zeigt ein erstes Blockschaltbild eines Brandschutzschalters zur Erläuterung der Erfindung. 8 zeigt zwei Leiter L, N eines Niederspannungsstromkreises die durch einen Brandschutzschalter AFD hindurchgehen zum Verbraucher LOAD1, analog zu 1. Mindestens einem der beiden Leiter L, N ist ein erster Sensor SR1, zur Ermittlung der Höhe des Stromes I im Netzfrequenzbereich des Niederspannungsstromkreises, und ein zweiter Sensor SR2, zur Ermittlung der Höhe von Pegeln RSSI in einem Hochfrequenzbereich des Niederspannungsstromkreises, zugeordnet.
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Die beiden Sensoren SR1, SR2 sind mit einer Steuerungseinheit SE verbunden, die eine Ermittlung hinsichtlich des Vorliegens von seriellen Fehlerlichtbögen vornimmt und bei Vorliegen von Fehlerlichtbögen ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal FS an einem Ausgang abgibt.
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Die Steuerungseinheit SE kann weitere Komponenten aufweisen, wie eine zentrale Rechnereinheit MCU, Analog-Digital-Umsetzer ADU1, ADU2, oder/und Filter FI1, FI2.
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Die Filter FI1, FI2 können eine Tiefpass-, Hochpass-, oder/und Bandpassfilterung durchführen, zur Begrenzung bzw. Adaptierung der Signale der Sensoren SR1, SR2.
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Die ggfs. derart gefilterten Signalen der Sensoren können analog-digital umgesetzt werden und werden von der Recheneinheit MCU weiter verarbeitet / ausgewertet.
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Die Sensoren SR1, SR2 und Steuerungseinheit SE können in einem ersten Gehäuse GEH1 angeordnet sein. In analoger Weise kann ein nicht dargestellter dritter Sensor SR3, zur Ermittlung der Höhe der Spannung, insbesondere im Netzfrequenzbereich des Niederspannungsstromkreises vorgesehen sein, der mit der Steuerungseinheit SE verbunden ist.
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9 zeigt ein Blockschaltbild gemäß 8, mit dem Unterschied, dass Leiter L, N eine Unterbrechungseinheit UE aufweisen, zur Unterbrechung der Leiter des Stromkreises. Von der Steuerungseinheit SE wird das Fehlerlichtbogenerkennungssignal FS an die Unterbrechungseinheit UE übertragen, so dass im Falle des Auftretens einen Fehlerlichtbogens der Stromkreis unterbrochen wird.
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Ferner sind die Sensoren SR1, SR2, die Steuerungseinheit SE und die Unterbrechungseinheit UE als separate Komponenten dargestellt, die durch Leitungen miteinander verbunden sind.
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10 zeigt ein Blockschaltbild gemäß 9, mit dem Unterschied, dass die Sensoren SR1, SR2, die Steuerungseinheit SE und die Unterbrechungseinheit UE in einem Gehäuse GEH2 angeordnet sind. Somit liegt ein kompaktes Gerät vor, in dem alle Komponenten angeordnet sind. Dieses Gerät im Gehäuse GEH2 könnte der Brandschutzschalter AFDD gemäß 1 oder 2 sein.
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11 zeigt eine Anordnung gemäß 10, mit dem Unterschied, dass die Unterbrechungseinheit UE extern, d.h. außerhalb des Gehäuses GEH2 angeordnet ist.
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Nur die Sensoren SR1, SR2 und die Steuerungseinheit SE sind einem Gehäuse GEH3 angeordnet.
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Die Unterbrechungseinheit UE kann eine eigenständige Komponente sein, der das Fehlerlichtbogenerkennungssignal FS zugeführt wird. Die Unterbrechungseinheit UE kann auch Teil eines anderen Schalters, Schaltgerätes bzw. Schutzschalters sein, wie beispielsweise eines Leitungsschutzschalters oder Fehlerstromschutzschalters, der durch das Fehlerlichtbogenerkennungssignal FS ausgelöst wird, d.h. den Stromkreis unterbricht.
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Im Folgenden wird die Erfindung in weiteren Ausgestaltungen mit anderen Worten näher erläutert.
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Der Strom im Netzfrequenzbereich (50 oder 60 Hz) muss bevorzugt einen ersten Schwellwert G1 übersteigen. Der Pegel RSSI muss bevorzugt einen zweiten Schwellwert G2 übersteigen. Es wird angenommen, dass ein Fehlerlichtbogen starke Pegel erzeugt. Weiterhin wird angenommen, dass der Fehlerlichtbogenanstieg sehr schnell erfolgt, in der Regel kürzer als eine 1 µs. D.h. die Ableitung des Pegels muss bevorzugt größer als ein dritter Schwellwert G3 sein, bei Fehlerlichtbogenbeginn und -ende. All diese Kriterien liegen bei einem Fehlerlichtbogen jeweils in einer Halbwelle der Netzfrequenz vor.
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Um Fehlauslösungen zu vermeiden, können diese Fehlerlichtbogenereignisse integriert werden, bis ein Fehlerlichtbogengrenzwert bzw. vierter Schwellwert erreicht wird, d.h. die Fehlersituation hat lang genug angedauert. In diesem Fall wird ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal erzeugt, dass direkt oder indirekt zur Unterbrechung des Stromkreises verwendet werden kann bzw. wird.
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In den meisten Elektroinstallationen sind Kabel von verschiedenen Abzweigen zusammen in Bündeln angebracht bzw. es besteht eine gewisse Nähe der Kabel. Dies ermöglicht ein Übersprechen bzw. Koppeln von Signalen bzw. Störungen von einem Kabel zu einem anderen Kabel, siehe 2.
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Wenn ein Fehlerlichtbogen in einem anderen Abzweig generiert wird, kann dessen Pegel im mit einem Brandschutzschalter geschützten Abzweig möglicherweise detektiert werden.
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Es kann zu einer Fehlauslösung des Brandschutzschalters kommen.
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Eine ähnliche Situation kann mit einem Verbraucher vorliegen, der (störende) hochfrequente Pegel generiert.
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Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, zu überprüfen, ob es eine (hochfrequente) Störung gibt, die wie eine Fehlerlichtbogenereignis aussieht, wobei aber kein Laststrom fließt. Zur Erkennung dessen wird an Stelle des Stromes die (Netz-) Spannung verwendet. Die Spannung ist immer anwesend, und seine Form ist sinusförmig, deshalb kann es verwendet werden, um ein gegenwärtiges Signal zu simulieren und die Erkennung von Fehlerlichtbögen zu ermöglichen.
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Im positiven Fall führt dies nicht zur Abgabe eine Fehlerlichtbogenerkennungssignals bzw. Unterbrechung des Stromkreises, sondern zur Unterdrückung dessen.
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Wenn dieses Fehlerlichtbogenereignis, z.B. für eine gewisse Zeit, nicht mehr vorliegt, geht der Brandschutzschalter in seinem normalen Modus zurück.
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Die Steuerung kann einen Mikroprozessor aufweisen bzw. mikroprozessorgesteuert sein. Die Abläufe können im Mikroprozessor bzw. seinen peripheren Komponenten durchgeführt werden.
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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.
