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Die Erfindung betrifft einen Niederspannungsleistungsschalter zur Unterbrechung eines Niederspannungsstromkreises nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
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Leistungsschalter sind Schutzgeräte, die ähnlich wie eine Sicherung funktionieren. Leistungsschalter überwachen den durch sie mittels eines Leiters hindurchfließenden Strom und unterbrechen den elektrischen Strom bzw. Energiefluss zu einer Energiesenke bzw. einem Verbraucher, was als Auslösung bezeichnet wird, wenn Schutzparameter, wie Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte, d.h. wenn ein Stromwert für eine gewisse Zeitspanne vorliegt, überschritten werden. Die eingestellten Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte sind entsprechende Auslösegründe. Die Unterbrechung erfolgt beispielsweise durch Kontakte des Leistungsschalters, die geöffnet werden.
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Insbesondere für Niederspannungsstromkreise bzw. -netze gibt es abhängig von der Höhe des vorgesehenen elektrischen Stromes im elektrischen Stromkreis verschiedene Typen von Leistungsschaltern. Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Schalter gemeint, wie sie in Niederspannungsanlagen für Ströme von 63 bis 6300 Ampere eingesetzt werden. Spezieller werden geschlossene Leistungsschalter für Ströme von 63 bis 1600 Ampere, insbesondere von 125 bis 630 oder 1200 Ampere eingesetzt. Offene Leistungsschalter werden insbesondere für Ströme von 630 bis 6300 Ampere, spezieller von 1200 bis 6300 Ampere verwendet.
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Offene Leistungsschalter werden auch als Air Circuit Breaker, kurz ACB, und geschlossene Leistungsschalter als Moulded Case Circuit Breaker oder Kompaktleistungsschalter, kurz MCCB, bezeichnet.
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Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspannung sind spezieller insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung mit Werten von 50 Volt Wechselspannung oder 120 Volt Gleichspannung sind.
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Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Leistungsschalter mit einer als Steuerungseinheit dienenden elektronischen Auslöseeinheit, auch als Electronic Trip Unit, kurz ETU, bezeichnet, gemeint.
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Bei zu hohem Stromfluss unterbrechen Leistungsschalter den Stromkreis gemäß ihrer Schutzparameter bzw. Ansprechwerte. Die Schutzparameter bzw. Ansprechwerte sind im Wesentlichen die Höhe des Stromes und die Zeit nach der ein Unterbrechen des Stromkreises bei andauernd „hohem“ Stromfluss erfolgen soll. Im Unterschied zu einer Sicherung sind diese Schutzparameter bzw. Ansprechwerte bei einem Leistungsschalter einstellbar, beispielsweise mittels der elektronischen Auslöseeinheit. Diese ist üblicherweise über die Front des Leistungsschalters zugänglich angebracht. Die Schutzparameter sind hierüber einstellbar bzw. parametrierbar.
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Niederspannungsleistungsschalter verfügen über elektronische Komponenten, die zur Funktionserfüllung (Schutz) unbedingt von Nöten sind. Eine wesentliche Komponente ist die elektronische Auslöseeinheit. Je nach Parametrierung bringt die elektronische Auslöseeinheit den Leistungsschalter zur Auslösung (Unterbrechung des Stromkreises, Öffnen der Kontakte, Auftrennung des Netzes). Ein Ausfall der elektronischen Auslöseeinheit führt zum Verlust der Schutzfunktion des Niederspannungsleistungsschalters.
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Leistungsschalter mit einer elektronischen Auslöseeinheit weisen häufig Zusatzkomponenten auf. Diese sind meist an der elektronischen Auslöseeinheit angeschlossen oder direkt mit dem Netzteil verbunden. Zusatzkomponenten können beispielsweise ein so genannter Rating Plug respektive Bemessungsstromstecker, ein Schalterkennmodul, kurz SKM, oder eine Anzeigeeinheit, insbesondere Display, sein. Häufig versorgt die elektronischen Auslöseeinheit die Zusatzkomponente(n) mit Energie.
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Liegt beispielsweise an einer Zusatzkomponente ein Fehler bzw. Defekt vor, beispielsweise ein Kurzschluss in einer Anzeigeeinheit / Display(modul), kann dadurch die Energieversorgung der elektronischen Auslöseeinheit gefährdet sein, z.B. die Energieversorgung zusammenbrechen, und dadurch die Schutzfunktion des Leistungsschalter nicht mehr zur Verfügung stehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Niederspannungsleistungsschalter der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere die Schutzfunktion bei möglichen Defekten möglichst lange zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Niederspannungsleistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist ein Niederspannungsleistungsschalter zur Unterbrechung eines Niederspannungsstromkreises vorgesehen, aufweisend:
- - mindestens einen ersten Stromsensor, zur Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes des Niederspannungsstromkreises,
- - eine Unterbrechungseinheit mit Kontakten, zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises,
- - eine mit dem ersten Stromsensor und der Unterbrechungseinheit verbundenen elektronischen Auslöseeinheit, die derart ausgestaltet sind, dass bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitspannen-Grenzwerten eine Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises veranlasst wird,
- - ein Netzteil, zur Energieversorgung der elektronischen Auslöseeinheit und von Zusatzkomponenten (9, 2, 3, 4) des Niederspannungsleistungsschalters (LS).
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Erfindungsgemäß ist zwischen Netzteil und mindestens einer Zusatzkomponente ein zweiter Stromsensor vorgesehen, der die Höhe des Stromes der Zusatzkomponente ermittelt. Der zweite Stromsensor ist mit einer Auswerteelektronik verbunden, die bei Überschreitung eines Schwellwertes des Stromes der Zusatzkomponente eine Unterbrechung des Stromes zur Zusatzkomponente initiiert.
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Der Strom zur Zusatzkomponente kann dabei direkt vom Netzteil zur Zusatzkomponente fließen, als auch über andere Einheiten, wie beispielsweise der elektronischen Auslöseeinheit.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Stromfluss zu mindestens einer Zusatzkomponente, die für die Schutzfunktion eines Leistungsschalters nicht zwingend erforderlich ist, überwacht wird. Bei Überschreitung eines Schwellwertes des Stromes zur Zusatzkomponente, wird eine Unterbrechung des Stromes zur Zusatzkomponente initiiert. Die Höhe des Schwellwertes ist so eingestellt bzw. festgelegt, dass eine Gefährdung der Energieversorgung der elektronischen Auslöseeinheit ausgeschlossen vermieden wird, insbesondere das die Schutzfunktion des Niederspannungsleistungsschalters weitestgehend sicher gestellt ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen zweiten Stromsensor und Zusatzkomponente eine Trennschaltung vorgesehen ist, die mit der Auswerteelektronik verbunden ist, zur Unterbrechung des Stromkreises zur Zusatzkomponente bei Überschreitung des Schwellwertes.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Lösung zur Unterbrechung des Stromes zur Zusatzkomponente gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteelektronik derart ausgestaltet, dass die Höhe des Schwellwertes einstellbar ist, insbesondere eine Einstellung am Niederspannungsleistungsschalter ermöglicht ist.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine flexible Anpassung des Schwellwertes an unterschiedliche Zusatzkomponenten und Betriebsbedingungen ermöglicht ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Zusatzkomponente ein Rating Plug, Schalterkennmodul oder eine Anzeigeeinheit, insbesondere Display.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass für diese Einheiten eine Überwachung auf Defekte gegeben ist und somit ein Erhalt der Schutzfunktion ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Niederspannungsleistungsschalter ein Gehäuse auf. Alternativ bzw. zusätzlich ist eine Eingabeeinheit vorgesehen, mit der die Höhe des Schwellwertes einstellbar ist.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass von außen bzw. mittels eines Gehäuses bzw. einer Eingabeeinheit eine externe Einstellung des Schwellwertes ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Höhe des Schwellwertes pro Zusatzkomponente einstellbar oder festgelegt. Insbesondere ist dies mit der Eingabeeinheit pro Zusatzkomponente einstellbar.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass individuell für jede Zusatzkomponente ein spezifischer Grenzwert eingestellt bzw. festgelegt werden kann, so dass bei Ausfall einer Zusatzkomponente nur diese abgeschaltet wird und die Funktion der anderen Zusatzkomponenten sowie die Schutzfunktion weitestgehend erhalten bleibt.
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Ferner wird analog vorteilhaft ein erfindungsgemäßes Verfahren mit vorteilhaften Ausgestaltungen beansprucht.
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Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw. 7, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Leistungsschalters zum weitest gehenden Erhalt der Schutzfunktion.
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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 zur Erläuterung der Erfindung,
- 2 eine zweite Darstellung zur Erläuterung der Erfindung,
- 3 eine dritte Darstellung zur Erläuterung der Erfindung,
- 4 eine vierte Darstellung zur Erläuterung der Erfindung.
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1 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Erfindung, die schematisch einen Teil eines Niederspannungsleistungsschalters LS zeigt, wobei verschiedene Einheiten eines Leistungsschalters dargestellt sind. 1 zeigt elektrische Leiter L1, L2, L3 eines Niederspannungsstromkreises, beispielsweise einen Dreiphasen-Wechselstromkreises, wobei der erste Leiter L1 die erste Phase, der zweite Leiter L2 die zweite Phase und der dritte Leiter L3 die dritte Phase des Dreiphasen-Wechselstromkreises bildet. Es können ferner noch ein Neutralleiter und ein Schutzleiter vorgesehen sein. Im Beispiel gemäß 1 ist der dritte Leiter L3 mit einem Energiewandler EW verbunden, derart, dass mindestens ein Teil des Stromes, d.h. ein Leiterteilstrom, bzw. der gesamte Strom des dritten Leiters durch die Primärseite des Energiewandlers EW fließt. Der Energiewandler EW ist üblicherweise ein Transformator mit Kern. In einer Ausgestaltung kann in jeder Phase bzw. in jedem Leiter des elektrischen Stromkreises ein Energiewandler EW vorgesehen sein. Die Sekundärseite des Energiewandlers EW bzw. jedes vorgesehenen Energiewandler ist mit einem Netzteil NT (oder mehreren Netzteilen) verbunden, das eine Energieversorgung, beispielsweise in Form einer Versorgungsspannung, für die elektronische Auslöseeinheit ETU nebst Zusatzkomponenten 9 zur Verfügung stellt. Das Netzteil NT kann zudem noch mit einem ersten Stromsensor SE verbunden sein, zur Energieversorgung des ersten Stromsensors - falls erforderlich.
Der erste Stromsensor SE weist mindestens ein Sensorelement auf, beispielsweise eine Rogowskispule, einen Messwiderstand / Shunt, einen Hallsensor o.ä., zur Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes mindestens eines Leiters des elektrischen Stromkreises. In einer üblichen Ausbauvariante wird die Höhe des elektrischen Stromes jedes Phasenleiters bzw. Leiters des elektrischen Stromkreises ermittelt.
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Der erste Stromsensor SE ist mit der elektronischen Auslöseeinheit ETU verbunden und übermittelt dieser die Höhe des elektrischen Stromes mindestens eines Leiters, der Phasenleiter oder aller Leiter des elektrischen Stromkreises.
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Die elektronische Auslöseeinheit ETU kann eine so genannte Electronic Trip Unit sein.
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Die übermittelten Stromwerte werden in der elektronischen Auslöseeinheit ETU mit Stromgrenzwerten oder/und Strom-Zeitspannen-Grenzwerten, die Auslösegründe bilden, verglichen. Bei Überschreitung dieser, wird eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises veranlasst. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Unterbrechungseinheit UE vorgesehen ist, die einerseits mit der elektronischen Auslöseeinheit ETU verbunden ist und andererseits Kontakte K zur Unterbrechung der Leiter L1, L2, L3 bzw. weiterer Leiter des elektrischen Stromkreises aufweist. Die Unterbrechungseinheit UE erhält in diesem Fall ein Unterbrechungssignal zur Öffnung der Kontakte.
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An die elektronische Auslöseeinheit ETU ist eine oder mehrere Zusatzkomponente 9 angeschlossen. Diese kann zur Energieversorgung direkt mit dem Netzteil NT verbunden sein oder die Energie über die elektronische Auslöseeinheit ETU beziehen.
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2 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer elektronischen Auslöseeinheit ETU. Diese weist ein Gehäuse auf, das beispielsweise Teil eines Niederspannungsleistungsschalters sein kann. Die elektronische Auslöseeinheit ETU weist eine Eingabeeinheit EE, eine Anzeigeeinheit 2, insbesondere Display, einen Rating Plug respektive Bemessungsstromstecker 3 sowie ein Schalterkennmodul 4 auf.
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Die Anzeigeeinheit 2, Rating Plug 3 sowie Schalterkennmodul 4 sind dabei beispielhaft Zusatzkomponenten im Sinne der Erfindung.
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3 zeigt eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Teiles der 1, und zwar die (Energie-) Verbindung zwischen elektronischer Auslöseeinheit ETU und einer Zusatzkomponente 9. Hierbei erhält die Zusatzkomponente 9 die Energie über die elektronische Auslöseeinheit ETU, die wiederum die Energie vom Netzteil NT enthält.
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Zwischen Netzteil NT und Zusatzkomponente 9 ist ein zweiter Stromsensor 6 vorgesehen, in diesem Beispiel zwischen elektronischer Auslöseeinheit ETU und Zusatzkomponente 9.
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Der zweite Stromsensor 6 ermittelt die Höhe des Stromes der Zusatzkomponente 9. Der zweite Stromsensor 6 ist mit einer Auswerteelektronik 7 verbunden, die bei Überschreitung eines Schwellwertes des Stromes der Zusatzkomponente 9 eine Unterbrechung des Stromes zur Zusatzkomponente 9 initiiert. Hierzu ist beispielsweise zwischen zweiten Stromsensor 6 und Zusatzkomponente 9 eine Trennschaltung 8 vorgesehen, die mit der Auswerteelektronik 7 verbunden ist, zur Unterbrechung des Stromkreises zur Zusatzkomponente 9 bei Überschreitung des Schwellwertes.
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4 zeigt ein Beispiel einer detaillierteren Ausgestaltungsvariante gemäß 3. Hierbei ist beispielhaft die Auswerteelektronik 7 näher dargestellt, die mindestens einen Verstärker, insbesondere zwei Verstärker, aufweist und eine Schwellwertschaltung, sowie eine Einstellmöglichkeit 10, mit der die Höhe des Schwellwerts des Stromes zur Zusatzkomponente einstellbar ist.
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Vorteilhafterweise ist für jede Zusatzkomponente eine derartige Schaltung vorgesehen, wobei für jede Zusatzkomponente ein anderer Schwellwert einstellbar ist bzw. festgelegt ist.
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Im Folgenden soll die Erfindung noch mal mit anderen Worten erläutert werden.
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Niederspannungsleistungsschalter verfügen über elektronische Komponenten die zur Funktionserfüllung (Schutz) unbedingt von Nöten sind. Eine wesentliche Komponente ist die elektronische Auslöseeinheit ETU (electronic trip unit). Diese wertet gemessene Ströme und Spannungen aus. Je nach Parametrierung und Ereignis bringt die elektronische Auslöseeinheit ETU den Niederspannungsleistungsschalter zur Auslösung (Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises / Auftrennung des Netzes). Ein Ausfall der elektronische Auslöseeinheit ETU führt zum Verlust der Schutzfunktion des gesamten Niederspannungsleistungsschalters. Häufig sind an der elektronischen Auslöseeinheit ETU Zusatzkomponenten bzw. Zusatzgeräte angeschlossen, wie z.B. ein Rating Plug 3, ein Schalterkennmodul 4 oder eine Anzeigeeinheit / Display 2, die sich über die elektronische Auslöseeinheit ETU oder direkt vom Netzteil NT mit Energie versorgen.
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Liegt beispielsweise an der Anzeigeeinheit, z.B. am angeschlossenen Displaymodul, ein Defekt vor, z.B. durch Kurzschluss, könnte dadurch die Energieversorgung der elektronische Auslöseeinheit ETU zusammenbrechen und die Schutzfunktion wäre nicht mehr gewährleistet.
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Um dieses Problem zu lösen, wird eine Überwachung des von der elektronische Auslöseeinheit ETU zu den Zusatzkomponenten 9 fließenden Stromes durchgeführt. Hierfür wird mit einem zweiten Stromsensor, wie einem Messwiderstand bzw. Shunt, einer Rogowskispule, einem Hallsensor oder anderen Komponenten bzw. Sensoren zur Ermittlung der Höhe des Stromes, z.B. ein zum fließenden Strom äquivalenter Wert erzeugt. Dieser wird mit Hilfe einer Auswerteelektronik 7 interpretiert. Die Auswerteelektronik unterbricht, wenn ein zu hoher Strom fließt, z.B. mit einer Trennschaltung 8, die die Stromversorgung zur jeweiligen Zusatzkomponente 9 verhindert, so dass ein Zusammenbrechen der Energieversorgung des Niederspannungsleistungsschalters verhindert und die Schutzfunktion bzw. Schutzfunktionalität erhalten bleibt.
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Der Schwellwert der zum Unterbrechen führt, kann beliebig festgelegt werden, z.B. mit einer Einstellmöglichkeit 10, beispielsweise intern, oder einer Einstelleinheit EE, beispielsweise extern, das am Gehäuse des Leistungsschalters LS bzw. dessen elektronischer Auslöseeinheit ETU zugänglich ist.
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Es wäre sogar denkbar diesen Wert je nach Betriebsfall variabel (just in time), z.B. über ein Potentiometer, den Gegebenheiten an zu passen.
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Der Vorteil der Lösung liegt darin, dass diese völlig autark und schnell funktioniert. Weiterhin ist sie in der Auslegung absolut flexibel, kann mit verschiedensten Ansprechwerten zur Absicherung der Sekundärseite des Energiewandlers bzw. Netzteils NT angepasst werden und ist daher zum Einsatz an allen Peripherieschnittpunkten geeignet. Insbesondere unabhängig davon, ob sehr kleine oder große Ströme zu detektieren sind. Die Lösung arbeitet absolut zerstörungsfrei, so ist beispielsweise nach Tausch der defekten Peripherie ein normaler Betrieb möglich. Die Funktionalität ist für energiearme Systeme wie z.B. bei eigenversorgte Niederspannungsleistungsschalter hervorragend geeignet. Im Gegensatz dazu wäre für normale Sicherungen, wie auch für selbstrückstellende Sicherungen, für eine Auslösung die vorhandene Energiemenge viel zu niedrig bzw. würde erhebliche Zeiten beanspruchen wodurch die Schutzfunktionalität des Gesamtgerätes nicht mehr gewährleistet wäre. Ein weiterer Vorteil der Lösung ist ein extrem niedriger Spannungsabfall, so dass Pegel der angeschlossenen Zusatzkomponenten bzw. Peripherie nahezu nicht beeinflusst werden. Würde man im Gegensatz dazu z.B. Halbleitersicherungen verwenden, würde dadurch ein deutlicher Spannungsabfall generiert, der dazu führen könnte, dass Ansteuerpegel über dem Pegel der Betriebsspannung liegen und die Zusatzkomponenten könnten geschädigt 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.
