DE102018219692A1

DE102018219692A1 - Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen

Info

Publication number: DE102018219692A1
Application number: DE102018219692.3A
Authority: DE
Inventors: Florian Festl; Markus Huber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-05-20
Also published as: CN111200273A; GB2580206B; CN111200273B; GB201915728D0; GB2580206A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis, insbesondere zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen, bei dem eine Strommessung mittels eines Messwiderstandes durchgeführt wird, über den der Strom eines Leiters des Niederspannungsstromkreises geführt wird, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises. Der Messwiderstand ist durch mindestens eine drahtförmige Verbindungsleitung mit einer Messschaltung verbunden. Die Messschaltung wird durch ein Netzteil mit Energie versorgt. Der Anschluss der Messschaltung, an dem die drahtförmige Verbindungsleitung angeschlossen ist, ist über einen Pullup-Widerstand mit einem Ausgang des Netzteiles verbunden, so dass ein Bruch der drahtförmigen Verbindungsleitung durch eine Spannung am Eingang der Messschaltung, die einen ersten Schwellwert überschreitet, ermittelt und signalisiert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis, wie einen Brandschutzschalter oder Leitungsschutzschalter, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 20.
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 50 Volt Wechselspannung bzw. 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.
Mit Fehlerlichtbögen sind Lichtbögen gemeint, die im Fehlerfall auftreten, d.h. die durch Fehler im Stromkreis entstehen. Beispielsweise durch schlecht geklemmte, fehlerhafte bzw. schlecht leitende Verbindungen bzw. Kontakte im elektrischen Stromkreis, z.B. in Verteilerdosen, Schaltern oder Steckdosen des Niederspannungsstromkreises.
Nicht gemeint sind (Stör-)Lichtbögen, wie sie beispielsweise beim regulären Betrieb eines Netzes, z.B. beim Schalten bzw. an den Bürsten eines Motors, auftreten.
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.
Brandschutzschalter sind relativ neuartige Schutzeinrichtungen für Stromkreise bzw. Spannungsnetze und dienen zum Erkennen von derartigen Fehlerlichtbögen. Brandschutzschalter können insbesondere in Hausinstallationseinrichtungen, wie Sicherungskästen, eingesetzt werden, um derartige Fehler zu erkennen und bei Vorliegen eines Fehlers bzw. Überschreitung eines Fehlerlichtbogengrenzwertes eine Initiierung zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises veranlassen, selbst unterbrechen bzw. ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgeben.
Leitungsschutzschalter sind seit langem bekannte Überstromschutzeinrichtungen, die in der Elektroinstallationstechnik in Niederspannungsstromkreisen eingesetzt werden. Diese schützen Leitungen vor Beschädigung durch Erwärmung infolge zu hohen Stromes und/oder Kurzschluss. Ein Leitungsschutzschalter kann den Stromkreis bei Überlast und/oder Kurzschluss selbsttätig abschalten. Ein Leitungsschutzschalter ist ein nicht selbsttätig zurückstellendes Sicherungselement.
Leistungsschalter sind, im Gegensatz zu Leitungsschutzschaltern, für Ströme größer als 125 A vorgesehen, teilweise auch schon ab 63 Ampere. Leitungsschutzschalter sind deshalb einfacher und filigraner aufgebaut.
Leitungsschutzschalter sind in der Regel elektromechanisch aufgebaut und weisen einen Schaltkontakt bzw. Arbeitsstromauslöser zur Unterbrechung des elektrischen Stromes, ein Bimetall-Schutzelement bzw. Bimetall-Element zur Auslösung bei länger anhaltenden Überstrom respektive bei thermischer Überlast, einen elektromagnetischen Auslöser mit einer Spule zur kurzzeitigen Auslösung bei Überschreiten eines Überstromgrenzwerts bzw. im Falle eines Kurzschlusses, und eine oder mehrere Lichtbogenlöschkammer bzw. Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung auf. Ferner Anschlusselemente für Leiter des zu schützenden elektrischen Stromkreises usw.
Grundsätzlich überwachen Leitungsschutzschalter die Höhe des elektrischen Stromes im Stromkreis und unterbrechen bei Überschreitung von Stromgrenzwerten bzw. Strom-Zeitspannen-Grenzwerten den Stromkreis.
Weiterhin bekannt sind Fehlerstromschutzschalter. Diese überwachen im zu schützenden Stromkreis die Stromsumme, die in der Regel Null ist, und unterbrechen bei Überschreiten eines Fehlerstromgrenzwertes bzw. Differenzstromgrenzwertes den elektrischen Stromkreis, da dann in der Regel fehlerhafter und möglicherweise lebensgefährlicher Stromabfluss vorliegt.
Es ist bekannt, Leitungsschutzschalter mit Fehlerstrom-Schutzschaltern zu kombinieren, indem Fehlerstrom-Module an den Leitungsschutzschalter angesteckt werden. Ferner gibt es kombinierte Leitungsschutz- und Fehlerstromschalter, die auch als Residual current operated Circuit Breaker with Overcurrent protection, kurz RCBO, bezeichnet werden.
Insbesondere Brandschutzschalter und zunehmend auch neuartige elektronische Leitungsschutzschalter verwenden zur Ermittlung der Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis Messwiderstände, über die bei einphasigen Niederspannungsstromkreise mit einem Phasenleiter und dem Neutralleiter der Strom des Niederspannungsstromkreises geführt wird. Aus dem Spannungsabfall über dem bekannten Widerstandswert des Messwiderstandes wird die Höhe des elektrischen Stromes im Niederspannungsstromkreis ermittelt. Dazu ist mindestens eine, oder zwei, Verbindungsleitung(en) am Messwiderstand angeschlossen, die zu einer Messschaltung, die beispielsweise Teil einer Steuerungseinheit sein kann, geführt wird. Diese wertet den Spannungsabfall aus, ermittelt die Höhe des elektrischen Stromes bzw. ein Äquivalent dazu, das mit Stromgrenzwerten verglichen wird und bei dessen Überschreitung eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises initiiert wird. Beispielsweise kann dies durch eine Steuerungseinheit erfolgen. In analoger Weise kann die Auswertung des Stromes, gegebenenfalls mit anderen überwachten Größen, zur Erkennung von (seriellen) Fehlerlichtbögen verwendet werden, wie beispielsweise in einem Brandschutzschalter.
Ist eine Verbindungsleitung zwischen Messwiderstand und Messschaltung/Steuerungseinheit defekt, kann die Höhe des Stromes nicht ermittelt werden, wodurch Fehler im elektrischen Niederspannungsstromkreis nicht detektiert werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schutzschaltgerät, insbesondere zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen oder Überströmen, wie einen Brandschutzschalter oder Leitungsschutzschalter, der eine Ermittlung der Höhe des Stromes durch einen Messwiderstand vornimmt, zu verbessern, insbesondere eine Drahtbrucherkennung von Verbindungsleitungen zwischen Messwiderstand und Messschaltung/Steuerungseinheit zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch einen Schutzschaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 oder ein Verfahren gemäß Patentanspruch 20 gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis, wie einen einphasigen Stromkreis, vorgesehen, wie ein Brandschutzschalter oder/und Leitungsschutzschalter, aufweisend:

- einen ersten Eingangsanschluss, der mit einer ersten Leitung mit einem ersten Ausgangsanschluss verbunden ist, für einen ersten Leiter, wie einem Phasenleiter, des Niederspannungsstromkreises,
- einen zweiten Eingangsanschluss, der mit einer zweiten Leitung mit einem zweiten Ausgangsanschluss verbunden ist, für einen zweiten Leiter, wie einem Neutral- oder Nullleiter, des Niederspannungsstromkreises,
- einem Messwiderstand, der in der ersten oder zweiten Leitung eingefügt ist, insbesondere in die Phasenleitung, zur Ermittlung der Höhe des Stromes (I) des Niederspannungsstromkreises,
- einem Netzteil, das eingangsseitig mit der ersten und zweiten Leitung verbunden ist, zur Energieversorgung einer Steuerungseinheit, insbesondere zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen oder/und zur Erkennung von Überstrombedingungen,
- wobei die Steuerungseinheit einen ersten und einen zweiten Messanschluss aufweist, die mit dem Messwiderstand verbunden sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Messwiderstand durch eine drahtförmige Verbindungsleitung mit dem Messanschluss, der über den Pullup-Widerstand mit dem Ausgang des Netzteils verbunden ist, verbunden.
Mit drahtförmiger Verbindungsleitung ist eine elektrische Leitung in Form eines starren Drahtes oder einer flexiblen Litze, jeweils mit oder ohne Isolierung (fehlende Isolierung) gemeint.
Vorteilhafterweise können Komponenten auf einer Leiterplatte angeordnet werden, restliche Komponenten können vorteilhaft durch Verbindungsleitungen an die Leiterplatte angeschlossen werden. So kann vorteilhafterweise die Verbindungsleitung überwacht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Netzteil und die Steuerungseinheit auf einer Leiterplatte angeordnet, die mindestens einen Teil der ersten und zweiten Leitung aufweist.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders gute Integration der Komponenten inklusive Leitung ermöglicht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Messanschluss, der nicht über den Pullup-Widerstand mit dem Ausgang des Netzteils verbunden ist, mindestens teilweise über eine Leiterbahn der Leiterplatte mit dem Messwiderstand verbunden ist.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine weitere vorteilhafte Integration ermöglicht wird, so dass zum Messwiderstand nur eine drahtförmige Verbindungsleitung, die mit der Erfindung vorteilhaft überwacht werden kann, erforderlich ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerungseinheit eine Messschaltung, insbesondere unter Verwendung eines ASIC oder eines Verstärkers, auf, zur Ermittlung der Höhe des Stromes oder eines Äquivalents aus dem Spannungsabfall über dem Messwiderstand.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine kompakte und genaue Realisierung für die Ermittlung der Höhe des Stromes und die Spannungsüberwachung gegeben ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerungseinheit einen Mikroprozessor auf. Dieser kann insbesondere mit der Messschaltung verbunden sein.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine digitale Auswertung und Programmierung ermöglicht wird, wodurch sich viele Features realisieren lassen und Grenzwerte einfach angepasst werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen erstem und zweiten Messanschluss ein Spannungsbegrenzungselement geschaltet. Insbesondere kann dies in Form einer oder zweier Dioden erfolgen. Insbesondere im Fall zweier Dioden können diese antiparallel geschaltet sein. Als Dioden können Silizium-Dioden, Z-Dioden, etc. verwendet werden.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Spannungsbegrenzung der Messschaltung/Steuerungseinheit erfolgt, wodurch Zerstörungen durch zu hohe Spannungen vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass serielle Fehlerlichtbögen im Niederspannungsstromkreis ermittelt werden und bei Überschreitung eines Fehlerlichtbogengrenzwertes ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird, insbesondere der Niederspannungsstromkreis unterbrochen wird.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Fehlerlichtbogenschutzfunktion inklusive Überwachung erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Pullup-Widerstand einen Widerstandswert zwischen 100 Ohm und 10 Megaohm, insbesondere zwischen 1 Kiloohm und 1 Megaohm, spezieller Werte zwischen einschließlich 10 Kiloohm und 100 Kilohm, auf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass Widerstandswerte vorliegen, die eine geringe Beeinträchtigung der Messergebnisse verursachen und dennoch die Pull-Up Funktion ermöglichen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Pullup-Widerstand einen Widerstandswert, der mindestens das 1'000-fache, insbesondere das 10'000-fache, 100'000-fache, 1'000'000-fache, 10'000'000-fache oder 100'000'000-fache des Widerstandswertes des Messwiderstandes auf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ebenfalls Widerstandswerte vorliegen, die eine geringe Beeinträchtigung der Messergebnisse verursachen und dennoch die Pull-Up Funktion ermöglichen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Messwiderstand einen mindestens in einem Temperaturbereich konstanten Widerstandswert auf.
Mit Temperaturbereich ist der Einsatz-Temperaturbereich des Schutzschaltgerätes gemeint. Insbesondere sind Temperaturbereiche von -25°C bis 70°C, 105°C oder 150°C gemeint.
Mit konstanten Widerstandswert ist ein Widerstandswert gemeint, der sich nur geringfügig ändert. Insbesondere wie dies bei Messwiderständen üblich ist. Insbesondere sind Widerstände mit Temperaturkoeffizienten von bis zu 200 ppm pro Kelvin, 150 ppm pro Kelvin, 100 ppm pro Kelvin, 75 ppm pro Kelvin oder noch besser 50 ppm pro Kelvin gemeint.
Alternativ bzw. spezieller sind Temperaturkoeffizienten von α=(-80...+40)·10^-6K^-1 oder α=±50·10^-6K^-1 gemeint.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine genaue und reproduzierbare Strommessung in vielen Einsatzorten und bei wechselnden Umgebungsbedingungen ermöglicht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung fällt über dem Messwiderstand eine zum Strom proportionale Spannung ab. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine genaue Messung, insbesondere durch lineare Bauelemente, ermöglicht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Messwiderstand ein Bimetall auf bzw. ist ein Bimetall-Schutzelement.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders einfache Strommessung ermöglicht wird, wobei zusätzlich eine thermo-elektrische Überstromschutzfunktion ermöglicht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Messwiderstand ein Bimetall-Schutzelement in Serie geschaltet.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders genaue Strommessung und thermo-elektrische Überstromschutzfunktion ermöglicht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Erkennung einer Eingangsspannung an den Messanschlüssen, die einen ersten Schwellwert überschreitet, ein Drahtbrucherkennungssignal abgegeben. Insbesondere erfolgt eine optische, elektrische (Schaltkontakt) oder akustische Signalisierung bei Vorliegen des Drahtbrucherkennungssignals.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Warnung bei einem Drahtbruch abgegeben werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Unterbrechungseinheit zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises vorgesehen, die insbesondere bei Vorliegen eines Drahtbrucherkennungssignals den Niederspannungsstromkreis unterbricht.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei Drahtbruch und folglich fehlender Überwachung der Stromkreis unterbrochen, d.h. geschützt ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Unterbrechungseinheit dem Netzteil eingangsseitig vorgeschaltet ist oder/und
weist Kontakte zur Unterbrechung der ersten oder/und zweiten Leitung auf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass das Schutzschaltgerät im Fehlerfall stromlos ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Niederspannungsstromkreis ein Niederspannungswechselstromkreis.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass sich die Erfindung insbesondere gut für Wechselstromkreise eignet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät ein Brandschutzschalter, Leitungsschutzschalter, Leistungsschalter oder Fehlerstromschutzschalter. Alternativ weist es eine Brandschutz-, Leitungsschutz- oder Fehlerstromschutz-Funktionalität auf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Erfindung insbesondere bei den genannten Geräten zum Schutz von Stromkreisen eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein paralleles Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis beansprucht,

- bei dem eine Strommessung mittels eines Messwiderstandes durchgeführt wird, über den der Strom eines Leiters des Niederspannungsstromkreises geführt wird, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises,
- der Messwiderstand durch mindestens eine drahtförmige Verbindungsleitung mit einer Messschaltung verbunden ist,
- die Messschaltung durch ein Netzteil mit Energie versorgt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Signalisierung durch eine optische Anzeige, Aktivierung eines Schaltkontaktes oder/und Unterbrechung des elektrischen Stromkreises.
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 Schutzschaltgerätes.
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.
Dabei zeigt die Zeichnung:

1 eine erste Darstellung eines Schutzschaltgerätes zur Erläuterung der Erfindung,
2 eine zweite Darstellung eines Schutzschaltgerätes zur Erläuterung der Erfindung,
3 eine dritte Darstellung eines Schutzschaltgerätes zur Erläuterung der Erfindung.

1 zeigt eine Darstellung eines Schutzschaltgerätes SG für einen Niederspannungsstromkreis, wie beispielsweise einen Brandschutzschalter, Leitungsschutzschalter oder kombinierten Brandschutz/Leitungsschutzschalter, insbesondere zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen, aufweisend:

- einen ersten Eingangsanschluss E1, der mit einer ersten Leitung LT1 mit einem ersten Ausgangsanschluss A1 verbunden ist, für einen ersten Leiter L1 des Niederspannungsstromkreises,
- einen zweiten Eingangsanschluss E2, der mit einer zweiten Leitung LT2 mit einem zweiten Ausgangsanschluss A2 verbunden ist, für einen zweiten Leiter N des Niederspannungsstromkreises,
- einem Messwiderstand MR, der in der ersten oder zweiten Leitung LT1, LT2 eingefügt sein kann, im Beispiel gemäß 1 ist er in der ersten Leitung LT1 eingefügt, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises,
- einem Netzteil NT, das eingangsseitig mit der ersten und zweiten Leitung LT1, LT2 verbunden ist, zur Energieversorgung einer Steuerungseinheit SE, die insbesondere zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen oder/und Überströmen ausgestaltet ist,
- wobei die Steuerungseinheit SE einen ersten und einen zweiten Messanschluss ME, MA aufweist, die mit den jeweiligen eingangsanschlussseitigen bzw. ausgangsanschlussseitigen Anschlüssen des Messwiderstand MR verbunden sind.

ME

LT1

MA

LT1

PR

NT

1

MA

PR

NT

SE

MS

MCU

NT

2 zeigt eine Anordnung gemäß 1, mit dem Unterschied, dass der Messwiderstand MR durch eine drahtförmige Verbindungsleitung DVL mit dem Messanschluss, der über den Pullup-Widerstand PR mit dem Ausgang des Netzteils NT verbunden ist, verbunden ist.
Im Beispiel ist der zweite Messanschluss MA über die drahtförmige Verbindungsleitung DVL mit dem ausgangsanschlussseitigen Anschluss des Messwiderstandes MR verbunden.
Ferner kann ein Vorwiderstand VR einem oder beiden Messanschlüssen vorgeschaltet sein; im Beispiel weist der zweite Messanschluss MA einen Vorwiderstand VR auf, so dass die drahtförmige Verbindungsleitung DVL über den Vorwiderstand VR mit dem zweiten Messanschluss MA verbunden ist.
Weiterhin sind das Netzteil NT und die Steuerungseinheit SE auf einer Leiterplatte LP angeordnet, die mindestens einen Teil der ersten und zweiten Leitung LT1, LT2 aufweist. Weiterhin ist der Messanschluss, der nicht über den Pullup-Widerstand PR mit dem Ausgang des Netzteils NT verbunden ist, mindestens teilweise über eine Leiterbahn LB der Leiterplatte LP mit dem Messwiderstand MR verbunden. Im Beispiel ist der erste Messanschluss ME über die Leiterbahn LB und der ersten Leitung LT1, die auch als Leiterbahn der Leiterplatte ausgeführt sein kann, mit dem eingangsanschlussseitigen Anschluss des Messwiderstandes MR verbunden.
Weiterhin weist die Steuerungseinheit SE eine Messschaltung unter Verwendung eines ASIC (ASICA) auf, zur Ermittlung der Höhe des Stromes oder eines Äquivalents aus dem Spannungsabfall über dem Messwiderstand MR. Der ASIC ist mit dem Mikroprozessor MCU verbunden.
Des Weiteren ist zwischen erstem und zweiten Messanschluss ein Spannungsbegrenzungselement D1, D2 geschaltet. Im Beispiel gemäß 2 in Form (einer oder) zweier Dioden D1, D2. Im Beispiel sind diese beiden Dioden D1, D2 antiparallel geschaltet, zur Spannungsbegrenzung.
Im Beispiel gemäß 2 ist der Messwiderstand in Form eines Bimetalls bzw. Bimetall-Schutzelementes BM ausgeführt, wobei dieses sich, wie im Beispiel gezeigt, nicht auf der Leiterplatte LP befinden muss. Es ist außerhalb der Leiterplatte LP angeordnet und ausgangsanschlussseitig (A1) über die drahtförmige Verbindungsleitung (DVL) mit einem Messanschluss verbunden, insbesondere dem Messanschluss, der über dem Pullup-Widerstand PR mit dem Netzteil NT verbunden ist; im Beispiel der zweite Messanschluss MA.
Weiterhin ist eine Unterbrechungseinheit UE zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises vorgesehen. Diese kann insbesondere bei Vorliegen eines Drahtbrucherkennungssignals den Niederspannungsstromkreis unterbrechen. Die Unterbrechungseinheit UE ist im Beispiel gemäß 2 dem Netzteil NT eingangsseitig vorgeschaltet. Die Unterbrechungseinheit kann Kontakte zur Unterbrechung der ersten oder/und zweiten Leitung LT1, LT2 aufweisen, wie in 2 angedeutet.
3 zeigt eine Anordnung gemäß 2, mit dem Unterschied, dass dem Messwiderstand MR ein Bimetall-Schutzelement BM in Serie geschaltet ist. Die drahtförmige Verbindungsleitung DVL ist dabei am Verbindungspunkt zwischen Messwiderstand MR und Bimetall-Schutzelemente BM angebracht.
Die Messschaltung MS der Steuerungseinheit SE ist im Beispiel der 3 unter Verwendung eines Verstärkers AMP realisiert, zur Ermittlung der Höhe des Stromes oder eines Äquivalents aus dem Spannungsabfall über dem Messwiderstand MR. Hierbei ist der Messwiderstand MR andererseits über die Leitung LT1 und die Leiterbahn LB mit dem ersten Messeingang ME der Steuerungseinheit SE bzw. der Messschaltung MS, im Beispiel des Verstärkers AMP, verbunden.
Der Messwiderstand MR oder/und das Bimetall-Schutzelement BM können hierbei ganz oder teilweise auf der Leiterplatte LP angeordnet sein.
In einer Ausgestaltung ist die Steuerungseinheit SE derart ausgestaltet, dass serielle Fehlerlichtbögen im Niederspannungsstromkreis ermittelt werden und bei Überschreitung eines Fehlerlichtbogengrenzwertes ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird, insbesondere der Niederspannungsstromkreis durch die Unterbrechungseinheit UE, die auch außerhalb eines Gehäuses des Schutzschaltgerätes SG angeordnet sein kann, unterbrochen wird.
Der Messwiderstand MR weist vorteilhafterweise ein Widerstandswert im Milliohm-Bereich auf. Beispielsweise im Bereich 1 bis 10 oder 100 Milliohm. Je höher der Bemessungsstrom des Schutzschaltgerätes ist, desto geringer sollte der Widerstandswert des Messwiderstandes sein.
Der Pullup-Widerstand PR weist vorteilhafterweise einen Widerstandswert zwischen 100 Ohm und 10 Megaohm, insbesondere zwischen 1 Kiloohm und 1 Megaohm, spezieller Werte zwischen einschließlich 10 Kiloohm und 100 Kiloohm oder 1 Megohm auf.
Vorteilhafterweise weist der Pullup-Widerstand PR einen Widerstandswert auf, der mindestens das 1'000-fache, insbesondere das 10'000-fache, 100'000-fache, 1'000'000-fache, 10'000'000-fache oder 100'000'000-fache des Widerstandswertes des Messwiderstandes MR beträgt. Je größer der Wert, desto geringer der Messfehler. Andererseits muss ein stabiles Potential zur Verfügung gestellt werden.
Die Spannung, die vom Netzteil NT abgegeben wird, kann beispielsweise 3,3 Volt betragen. Als Spannungsbegrenzungselement können beispielsweise Silizium-Dioden verwendet werden. Diese weisen üblicherweise eine Flussspannung von 0,7 Volt auf. Bei Erkennung einer Eingangsspannung an den Messanschlüssen, die einen ersten Schwellwert überschreitet, wird ein Drahtbrucherkennungssignal abgegeben. Dieser erste Schwellwert kann in diesem Beispiel eine Höhe von 0,5 oder 0,6 Volt aufweisen. Er sollte unter dem Spannungsbegrenzungswert des Spannungsbegrenzungselementes liegen.
Bei Vorliegen einer Drahtbrucherkennung erfolgt beispielsweise eine optische (z.B. LED), elektrische (Öffnen/Schließen eines Schaltkontaktes) oder/und akustische Signalisierung. Ferner kann der Niederspannungsstromkreis unterbrochen werden. So wird ein sicherer Zustand im Stromkreis hergestellt, da durch den Drahtbruch eine Überwachung fehlt.
Die Erfindung kann vorteilhaft als Verfahren implementiert sein.
Im Folgenden wird die Erfindung noch einmal mit anderen Worten erläutert. Ein Messwiderstand (Shunt) wird zum Messen des Stromes (Laststrom) des Niederspannungsstromkreises verwendet. In einigen Fällen kann die Verbindung zum Messwiderstand beschädigt werden / sein. Ist der Messwiderstand beispielsweise mit einem Draht (drahtförmige Verbindungsleitung) verbunden, kann der Draht brechen. Diese Art von Fehler wird nicht erkannt. Bei einem solchen Fehler ist das Gerät, ohne erkennbaren Hinweis, nicht einsatzfähig / defekt.
Erfindungsgemäß wird am Eingang der Steuerungseinheit / Messschaltung bzw. Stromaufbereitungsschaltung ein so genannter Pullup-Widerstand mit viel höherem Widerstand als der Messwiderstand hinzugefügt. Wenn der Messwiderstand an die Messschaltung angeschlossen ist, ist die Wirkung des Pullup-Widerstands vernachlässigbar. Wenn die Verbindung zum Messwiderstand unterbrochen wird, ist die Spannung an der Messschaltung sehr hoch, entsprechend bzw. proportional zur Ausgangsspannung des Netzteiles (ggfs. Spannungsteiler mit Pullup-Widerstand, d.h. verringert). Diese hohe und konstante, insbesondere Gleichspannung, kann von der Messschaltung oder einem am Ausgang der Messschaltung angeschlossenen Mikroprozessor MCU erfasst werden.
Ein Drahtbrucherkennungssignal kann abgegeben werden.
Der Messwiderstand kann ein Bimetall sein. Die Messschaltung könnte eine analoge Schaltung mit Widerständen, eine Operationsverstärkerschaltung oder ein vollständig integrierter Aufbereitungs-IC sein, wie ein ASIC.
Eine mögliche Implementierung der Erfindung besteht darin, sie in einem Brandschutzschalter, der serielle Fehlerlichtbögen erkennt, zu verwenden. Ferner in einem Leitungsschutzschalter oder einem kombinierten Brandschutz-/Leitungsschutzschalter, beispielsweise in einem Gehäuse mit einer Breite von 1 TE.
Im Falle eines reinen Leitungsschutzschalters kann der Messwiderstand als Bimetall des Leitungsschutzschalters ausgeführt sein.
Im Falle einer Brandschutzschalterfunktion kann die Steuerungseinheit bzw. Messschaltung als ASIC für Fehlerlichtbogenerkennungs-Funktionen einschließlich Verstärkung und ggfs. Offset-Addierung ausgestaltet sein.
Die Erfindung kann auch zur Energiemessung verwendet werden. Hierbei wird ein Verstärker Amp eingesetzt. Dabei kann vom Netzteil eine genaue Referenzspannung Vref erzeugt und an den Verstärker gegeben werden, um eine genaue Strommessung zu ermöglichen, die zur Energiemengenermittlung verwendet wird. Ferner kann, insbesondere in diesem Fall, neben einer positiven Spannung V+ eine negative Spannung V- dem Verstärker zur Verfügung gestellt werden, zur genauen Messung des negativen Teils des Stromes / Laststromes.
Die Referenzspannung Vref, die z.B. die Hälfte der Versorgungsspannung des Netzteiles beträgt, wird im Verstärker zum Ausgangssignal hinzugefügt, um die Messung durch den Mikroprozessor MCU zu ermöglichen bzw. zu verbessern.
Die Erfindung ermöglicht ein defektes Gerät zu erkennen und zu signalisieren. Andernfalls wäre ein Gerät ohne Hinweis defekt. Dies erhöht das allgemeine Sicherheitsniveau. Die Erfindung lässt sich einfach durch einen zusätzlichen Widerstand realisieren.
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

Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis, insbesondere zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen, aufweisend: - einen ersten Eingangsanschluss (E1), der mit einer ersten Leitung (LT1) mit einem ersten Ausgangsanschluss (A1) verbunden ist, für einen ersten Leiter (L1) des Niederspannungsstromkreises, - einen zweiten Eingangsanschluss (E2), der mit einer zweiten Leitung (LT2) mit einem zweiten Ausgangsanschluss (A2) verbunden ist, für einen zweiten Leiter (N) des Niederspannungsstromkreises, - einem Messwiderstand (MR), der in der ersten oder zweiten Leitung (LT1, LT2) eingefügt ist, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises, - einem Netzteil (NT), das eingangsseitig mit der ersten und zweiten Leitung (LT1, LT2) verbunden ist, zur Energieversorgung einer Steuerungseinheit (SE), insbesondere zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen, - dass die Steuerungseinheit (SE) einen ersten und einen zweiten Messanschluss aufweist, die mit dem Messwiderstand (MR) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder zweite Messanschluss über einen Pullup-Widerstand (PR) mit einem Ausgang des Netzteiles (NT) verbunden ist.
Schutzschaltgerät nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (MR) durch eine drahtförmige Verbindungsleitung (DVL) mit dem Messanschluss, der über den Pullup-Widerstand (PR) mit dem Ausgang des Netzteils (NT) verbunden ist, verbunden ist.
Schutzschaltgerät nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Netzteil (NT) und die Steuerungseinheit (SE) auf einer Leiterplatte (LP) angeordnet sind, die mindestens einen Teil der ersten und zweiten Leitung (LT1, LT2) aufweist.
Schutzschaltgerät nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messanschluss, der nicht über den Pullup-Widerstand (PR) mit dem Ausgang des Netzteils (NT) verbunden ist, mindestens teilweise über eine Leiterbahn (LB) der Leiterplatte (LP) mit dem Messwiderstand (MR) verbunden ist.
Schutzschaltgerät nach Patentanspruch 1, 2, 3, oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (SE) eine Messschaltung (MS), insbesondere unter Verwendung eines ASIC (ASICA) oder eines Verstärkers (AMP), aufweist, zur Ermittlung der Höhe des Stromes oder eines Äquivalents aus dem Spannungsabfall über dem Messwiderstand (MR) .
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (SE) einen Mikroprozessor (MCU) aufweist.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem und zweiten Messanschluss ein Spannungsbegrenzungselement (D1, D2) geschaltet ist, insbesondere in Form einer oder zweier Dioden (D1, D2), wobei insbesondere im Fall zweier Dioden (D1, D2) diese antiparallel geschaltet sind.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (SE) derart ausgestaltet ist, dass serielle Fehlerlichtbögen im Niederspannungsstromkreis ermittelt werden und bei Überschreitung eines Fehlerlichtbogengrenzwertes ein Fehlerlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird, insbesondere der Niederspannungsstromkreis unterbrochen wird.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pullup-Widerstand (PR) einen Widerstandswert zwischen 100 Ohm und 10 Megaohm, insbesondere zwischen 1 Kiloohm und 1 Megaohm, spezieller Werte zwischen einschließlich 10 Kiloohm und 100 Kiloohm, aufweist.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pullup-Widerstand (PR) einen Widerstandswert, der mindestens das 1'000-fache, insbesondere das 10'000-fache, 100'000-fache, 1'000'000-fache, 10'000'000-fache oder 100'000'000-fache des Widerstandswertes des Messwiderstandes (MR) aufweist.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (MR) einen mindestens in einem Temperaturbereich konstanten Widerstandswert aufweist.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Messwiderstand (MR) eine zum Strom proportionale Spannung abfällt.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (MR) ein Bimetall aufweist bzw. ein Bimetall-Schutzelement (BM) ist.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messwiderstand (MR) ein Bimetall-Schutzelement (BM) in Serie geschaltet ist.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung einer Eingangsspannung an den Messanschlüssen, die einen ersten Schwellwert überschreitet, ein Drahtbrucherkennungssignal abgegeben wird, insbesondere dass eine optische, elektrische oder akustische Signalisierung bei Vorliegen eines Drahtbrucherkennungssignals erfolgt.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterbrechungseinheit (UE) zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises vorgesehen ist, die insbesondere bei Vorliegen eines Drahtbrucherkennungssignals den Niederspannungsstromkreis unterbricht.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungseinheit (UE) dem Netzteil (NT) eingangsseitig vorgeschaltet ist oder/und Kontakte zur Unterbrechung der ersten oder/und zweiten Leitung aufweist.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederspannungsstromkreis ein Niederspannungswechselstromkreis ist.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät ein Brandschutzschalter, Leitungsschutzschalter, Leistungsschalter oder Fehlerstromschutzschalter ist bzw. eine Brandschutz-, Leitungsschutz- oder Fehlerstromschutz-Funktionalität aufweist.
Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis, insbesondere zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen, -bei dem eine Strommessung mittels eines Messwiderstandes (MR) durchgeführt wird, über den der Strom eines Leiters des Niederspannungsstromkreises geführt wird, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises, - der Messwiderstand (MR) durch mindestens eine drahtförmige Verbindungsleitung (DVL) mit einer Messschaltung (MS) verbunden ist, - die Messschaltung (MS) durch ein Netzteil mit Energie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss der Messschaltung (MS), an dem die drahtförmige Verbindungsleitung (DVL) angeschlossen ist, über einen Pullup-Widerstand (PR) mit einem Ausgang des Netzteiles (NT) verbunden ist, so dass ein Bruch der drahtförmigen Verbindungsleitung (DVL) durch eine Spannung am Eingang der Messschaltung (MS), die einen ersten Schwellwert überschreitet, ermittelt und signalisiert werden kann.
Verfahren nach Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalisierung durch eine optische Anzeige, Aktivierung eines Schaltkontaktes oder/und Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises erfolgt.