DE102019201405A1

DE102019201405A1 - Messvorrichtung und Sicherungsanordnung sowie Anordnung zur Strommessung

Info

Publication number: DE102019201405A1
Application number: DE102019201405.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hochmuth; Robert Hüttinger; Christian Rohrwild; Adolf Schmid; Volker Seefeld
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2020-08-06

Abstract

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung, welche zum Zusammenwirken mit einer Schmelzsicherung ausgestaltet ist, weist eine Messeinrichtung auf, welche ihrerseits einen Stromsensor zur Erfassung eines durch die Schmelzsicherung fließenden elektrischen Primärstromes aufweist. Weiterhin weist die Messvorrichtung eine Übertragungseinrichtung auf, welche mit der Messeinrichtung elektrisch leitend verbunden ist, um einen den gemessenen Primärstrom repräsentierenden Wert an eine außerhalb der Messvorrichtung angeordnete Empfangseinrichtung zu übertragen. Die Messeinrichtung sowie die Übertragungseinrichtung sind dabei in einem Gehäuse der Messvorrichtung aufgenommen und gehaltert. Dabei ist das Gehäuse mit der Schmelzsicherung derart koppelbar, dass der durch die Schmelzsicherung fließende Primärstrom messbar ist. Bei Kopplung mit der Schmelzsicherung kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Messvorrichtung der durch die Schmelzsicherung fließende elektrische Strom unmittelbar an der Schmelzsicherung erfasst bzw. gemessen werden, ohne dass die Bauform oder die Baugröße der Schmelzsicherung - und damit deren technischen Eigenschaften - hierdurch maßgeblich beeinflusst werden.Die Messvorrichtung eignet sich daher insbesondere für eine Retrofit-Anwendung im Rahmen einer Nachrüstung oder Modernisierung einer bestehenden Anlage, bei der eine bestehende, nicht kommunikationsfähige Schmelzsicherung durch eine Nachrüstung mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung nachträglich kommunikationsfähig gemacht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Strommessung, welche zum Zusammenwirken mit einer Schmelzsicherung ausgestaltet ist, sowie eine Sicherungsanordnung mit einer derartigen Messvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Strommessung mit einer zur Kommunikation mit der Messvorrichtung geeigneten Empfangseinrichtung.
Leiter, die von einem elektrischen Strom durchflossen werden, erwärmen sich. Bei unzulässig hohen Strömen kann es zu einer unzulässig starken Erwärmung des Leiters und infolgedessen zu einem Abschmelzen der den Leiter umgebenden Isolation kommen, was in der Folge bis zu einem Kabelbrand führen kann. Um dieser Brandgefahr vorzubeugen, muss bei Auftreten eines zu hohen elektrischen Stromes, d.h. eines Überlaststromes oder eines Kurzschlussstromes, dieser elektrische Strom rechtzeitig abgeschaltet werden. Mit Hilfe einer sogenannten ÜberstromSchutzeinrichtung wird dies gewährleistet.
Ein Beispiel für eine derartige Überstromschutzeinrichtung ist beispielsweise eine Schmelzsicherung, die durch das Abschmelzen eines oder mehrerer Schmelzleiter den Stromkreis unterbricht, wenn die Stromstärke des durch die Schmelzsicherung abgesicherten Stromkreises einen bestimmten Wert über eine bestimmte Zeitdauer hinweg überschreitet. Die Schmelzsicherung besteht aus einem isolierenden Körper, welcher zwei elektrische Anschlüsse aufweist, die im Inneren des isolierenden Körpers durch einen oder mehrere Schmelzleiter elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Der Schmelzleiter, welcher einen im Vergleich zu den übrigen Leitern des Stromkreises reduzierten Querschnitt aufweist, wird durch den ihn durchfließenden Strom erwärmt und schmilzt, wenn der maßgebliche Nennstrom der Sicherung für eine vorbestimmte Zeitdauer deutlich überschritten wird. Aufgrund seiner guten Isolationseigenschaften wird als Material für den isolierenden Körper zumeist Keramik verwendet. Ein derartiger Schmelzsicherungseinsatz ist beispielsweise aus der europäischen Patentschrift EP 0 917 723 B1 oder den deutschen Offenlegungsschriften DE 10 2014 205 871 A1 sowie DE 10 2016 211 621 A1 prinzipiell vorbekannt.
Schmelzsicherungen sind in verschiedenen Bauarten erhältlich. Neben einfachen Gerätesicherungen, welche einen einfachen Glaszylinder, in dem der Schmelzleiter aufgenommen ist, aufweisen, existieren auch Bauformen, bei denen der Keramikkörper mit Sand - zumeist Quarzsand - gefüllt ist: Hierbei wird zwischen Typen mit verfestigtem sowie mit unverfestigtem Quarzsand unterschieden. Bei einer mit Sand verfestigten Schmelzsicherung ist der Schmelzleiter von Quarzsand umgeben. In der Regel ist das Gehäuse der Schmelzsicherung dabei durch einen Keramikkörper, in dem der verfestigte Sand, die elektrischen Anschlüsse sowie der Schmelzleiter aufgenommen bzw. gehalten sind, gebildet. Der Quarzsand fungiert hierbei als Lichtbogenlöschmittel: wird der Nennstrom der Schmelzsicherung deutlich überschrittenen - beispielsweise aufgrund eines hohen Kurzschlussstromes - so führt dies zu einem Ansprechen der Schmelzsicherung, in dessen Verlauf der Schmelzleiter zunächst schmilzt und anschließend aufgrund der hohen Temperaturentwicklung verdampft. Dabei entsteht ein elektrisch leitendes Plasma, über das der Stromfluss zwischen den elektrischen Anschlüssen zunächst aufrecht erhalten wird - es bildet sich ein Lichtbogen. Indem sich der Metalldampf des verdampften Schmelzleiters auf der Oberfläche der Quarzsandkörner niederschlägt, wird der Lichtbogen wiederum abgekühlt. In der Folge steigt der Widerstand im Inneren des Sicherungseinsatzes derart an, dass der Lichtbogen endgültig verlischt. Die durch die Schmelzsicherung zu schützende elektrische Leitung ist damit unterbrochen.
Aus dem Stand der Technik sind im Bereich der Schmelzsicherungen Niederspannungs-Hochleistungssicherungen, sogenannte NH-Sicherungen, aber auch Halbleiterschutzsicherungen, sogenannte HLS-Sicherungen, wie sie beispielsweise unter dem Produktnamen SITOR vertrieben werden, prinzipiell vorbekannt. Bei NH-Sicherungen werden üblicherweise ein oder mehrere Schmelzleiter in Form von Metallbändern verwendet. Dabei weisen die Schmelzleiter zumeist sogenannte Engstellenreihen zur selektiven Ausschaltung der Schmelzsicherung auf. Weiterhin kann auf einen oder mehrere der Schmelzleiter zumindest ein Lotdepot aufgebracht sein, mit dessen Hilfe die Überlastcharakteristik der Schmelzsicherung beeinflussbar ist. Der für das Abschaltverhalten der Sicherung maßgebliche Durchlassenergiewert I²t ist bei NH-Sicherungen relativ groß, weswegen diese eine eher trägere Charakteristik aufweisen.
Erwärmt sich der Schmelzleiter durch einen elektrischen Überlaststrom auf eine Temperatur, welche oberhalb der Schmelztemperatur des Lotes liegt, so diffundiert dieses Lot in das Schmelzleitermaterial ein und bildet mit diesem eine Legierung. Dadurch erhöht sich der elektrische Widerstand des Schmelzleiters, was zu dessen weiterer Erwärmung führt, wodurch der Diffusionsvorgang solange weiter beschleunigt wird, bis der Schmelzleiter in der Umgebung des Lotdepots vollständig aufgelöst ist, so dass er abreißt, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird. Bei einem kurzzeitigen, zulässigen Überstrom erfolgt keine vorzeitige Ausschaltung durch die NH-Sicherung. Bei Auftreten eines Kurzschluss-Stromes hingegen reißt der Schmelzleiter an den Engstellenreihen auf. Dadurch entstehen gleichzeitig mehrere kleine, in Reihe geschaltete Lichtbögen, deren Spannungen sich addieren und damit zu einer schnelleren Ausschaltung der Schmelzsicherung führen. NH-Sicherungen dienen beispielsweise zum Schutz von Anlagen oder Schaltschränken vor Brand, beispielsweise durch überhitzte Anschlussleitungen.
Seitens der Betreiber elektrischer Anlagen besteht der Wunsch, den Zustand einer elektrischen Anlage abfragen zu können. In der Vergangenheit erfolgte dies oftmals mittels einer Sichtprüfung - im Falle von Schmelzsicherungen beispielsweise dadurch, dass die Sicherungen mit einem Kennmelder ausgestattet sind, welcher ein Auslösen der jeweiligen Sicherung außen am Gehäuse der betreffenden Sicherung optisch signalisiert. Für die Zukunft wird jedoch vermehrt gefordert, diese Information jederzeit und möglichst ortsunabhängig abfragen zu können, beispielsweise über eine Leitwarte. Aus diesem Grund werden elektrische Installationsgeräte vermehrt dazu ertüchtigt, Informationen über ihren Betriebszustand bereitzustellen. Elektrische Schaltgeräte wie beispielsweise Brandschutzschalter, die bereits über eine eigene Steuerungslogik verfügen, können mit relativ geringem Aufwand dazu ertüchtigt werden, entsprechende Informationen aufzubereiten und bereitzustellen.
Bei Schmelzsicherungen gibt es entsprechende Lösungen, indem mittels eines an die Sicherung anbaubaren Kommunikationsmoduls die vom Kennmelder optisch bereitgestellte „Ausgelöst“-Information aufzunehmen und weiterzuleiten. Derartige Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass sie zusätzlichen Bauraum benötigen und daher in bereits bestehenden Installationen nur mit verhältnismäßig hohem Aufwand eingesetzt werden können. Für einen einfachen Retrofit-Einsatz, bei dem eine bestehende Sicherung ohne Kommunikationsmodul durch eine neue Sicherung mit einem entsprechenden Kommunikationsmodul im Sinne einer Nachrüstung oder Modernisierung der Anlage ersetzt wird, kommen diese anbaubaren Lösungen oftmals nicht zum Einsatz, da der hierfür benötigte, zusätzliche Bauraum nicht zur Verfügung steht.
Zur Lösung dieses vor allem bei Retrofit-Anwendungen auftretenden Problems des begrenzten Bauraums ist in der internationalen Patentanmeldung WO 2017/078525 A1 eine Schmelzsicherung beschrieben, bei der eine Stromsensor in den Druckkörper der Schmelzsicherung integriert ist. Mit Hilfe dieses Stromsensors kann der im Normalbetrieb auftretende Stromfluss durch die Schmelzsicherung gemessen und an eine außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Abfrage-Einheit übermittelt werden. Da in einer Schmelzsicherung jedoch auch vergleichsweise hohe Temperaturen auftreten können, ist es fraglich, wie zuverlässig ein in den Druckkörper der Schmelzsicherung integrierter Sensor über die Lebensdauer der Schmelzsicherung hinweg funktioniert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung für eine Schmelzsicherung, eine Sicherungsanordnung mit einer derartigen Messvorrichtung, sowie eine Anordnung zur Strommessung, welche eine zur Kommunikation mit der Messvorrichtung geeignete Empfangseinrichtung aufweist, bereitzustellen, welche die vorstehend genannten Probleme zumindest teilweise überwinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Messvorrichtung, die Sicherungsanordnung sowie die Anordnung zur Strommessung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, Sicherungsanordnung sowie der Anordnung zur Strommessung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung, welche zum Zusammenwirken mit einer Schmelzsicherung ausgestaltet ist, weist eine Messeinrichtung auf, welche ihrerseits einen Stromsensor zur Erfassung eines durch die Schmelzsicherung fließenden elektrischen Primärstromes aufweist. Weiterhin weist die Messvorrichtung eine Übertragungseinrichtung auf, welche mit der Messeinrichtung elektrisch leitend verbunden ist, um einen den gemessenen Primärstrom repräsentierenden Wert an eine außerhalb der Messvorrichtung angeordnete Empfangseinrichtung zu übertragen. Die Messeinrichtung sowie die Übertragungseinrichtung sind dabei in einem Gehäuse der Messvorrichtung aufgenommen und gehaltert. Dabei ist das Gehäuse mit der Schmelzsicherung derart koppelbar, dass der durch die Schmelzsicherung fließende Primärstrom messbar ist.
Bei Kopplung mit der Schmelzsicherung kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Messvorrichtung der durch die Schmelzsicherung fließende elektrische Strom unmittelbar an der Schmelzsicherung erfasst bzw. gemessen werden, ohne dass die Bauform oder die Baugröße der Schmelzsicherung - und damit deren technischen Eigenschaften - hierdurch maßgeblich beeinflusst werden. Die Messvorrichtung ist zur äußeren Kopplung mit einer standardisierten Schmelzsicherung vorgesehen. Durch diese Kopplung wird insbesondere der maximale Nennstrom der Schmelzsicherung nicht negativ beeinflusst, da hierdurch die für die technischen Eigenschaften der Schmelzsicherung maßgeblichen Komponenten der Schmelzsicherung - insbesondere die Abmessungen des Sicherungskörpers, und damit das für das Löschmittel zur Verfügung stehende Volumen im Inneren des Sicherungskörpers - nicht verändert werden.
Die Messvorrichtung eignet sich daher insbesondere für eine Retrofit-Anwendung im Rahmen einer Nachrüstung oder Modernisierung einer bestehenden Anlage, bei der eine bestehende, nicht kommunikationsfähige Schmelzsicherung durch eine Nachrüstung mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung nachträglich kommunikationsfähig gemacht wird. Vor dem Hintergrund einer immer dezentraleren Energieversorgung sowie dem zunehmenden Forderung nach intelligenten Stromnetzen wird damit wird der Anforderung Rechnung getragen, möglichst viele Informationen über den Status der verschiedenen Sub-Netze und Verteiler-Knoten zu generieren und zu überwachen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Messvorrichtung ist der Stromsensor als Stromwandler oder Hall-Effekt-Sensor ausgebildet.
Als Stromwandler kommt beispielsweise eine Rogowski-Spule in Betracht. Hierbei handelt es sich um eine toroidförmige Luftspule, welche keinen ferromagnetischen Kern aufweist und unter anderem zur Messung von Wechselstrom eingesetzt wird. Die Rogowski-Spule ist auch als „Rogowski-Stromwandler“ bekannt. Bei einem Hall-Effekt-Sensor, welcher auch als Hall-Sensor, Hall-Sonde oder Hall-Geber bezeichnet wird, wird der sogenannte Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern ausgenutzt: wird ein einfacher Hall-Sensor von einem Strom durchflossen und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum Produkt aus magnetischer Flussdichte und Strom ist. Sowohl ein Stromwandler als auch ein Hall-Effekt-Sensor stellen für den vorliegenden Anwendungsfall aufgrund ihrer geringen Baugröße geeignete Sensorelemente dar.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Messvorrichtung ist das Gehäuse unmittelbar mit einem Sicherungskörper der Schmelzsicherung oder mit einem stromführenden Leiter der Schmelzsicherung gekoppelt.
Je nach dem zur Verfügung stehenden Bauraum kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung entweder unmittelbar mit dem Sicherungskörper oder mit einem stromführenden Leiter der Schmelzsicherung gekoppelt werden. Ist der zur Verfügung stehenden Bauraum der Länge nach begrenzt, so kann die Messvorrichtung wie eine Manschette um den Sicherungskörper gelegt werden. Ist der hierfür benötigte Bauraum zu knapp bemessen, so kann die Messvorrichtung auch um einen zur betreffenden Schmelzsicherung führenden elektrischen Leiter gelegt werden, um den durch die Schmelzsicherung fließenden elektrischen Primärstrom zu messen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Messvorrichtung weist das Gehäuse eine Öffnung auf, über die das Gehäuse auf den Sicherungskörper oder den stromführenden Leiter aufsteckbar ist.
Aufgrund seiner Baugröße ist der Stromwandler die maßgebliche Komponente für die Dimensionierung des Gehäuses, in dem neben der Messeinrichtung auch die Übertragungseinrichtung angeordnet sind. Um den Stromwandler in dem Gehäuse aufnehmen zu können, ist dieses an dessen Form angepasst. Da die meisten Stromwandler ringförmig oder rohrförmig ausgebildet sind, ist dementsprechend auch das Gehäuse ringförmig oder rohrförmig ausgebildet. Bei der Montage, d.h. zur Kopplung mit der Schmelzsicherung, wird das Gehäuse durch eine Bewegung in einer Längserstreckungsrichtung der Schmelzsicherung auf den Sicherungskörper bzw. den zur Schmelzsicherung führenden elektrischen Leiter aufgesteckt - ähnlich einem Ring auf einen Finger. Die Befestigung kann dabei unter Verwendung geeigneter Montageelemente wie Schnapphaken oder Ähnliches entweder formschlüssig, oder auch - bei entsprechender Passgenauigkeit von Öffnung und Sicherungskörper bzw. dem stromführenden Leiter - rein kraftschlüssig erfolgen. Mischformen aus Form- und Kraftschluss sind hierbei jedoch ebenso möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Messvorrichtung ist das Gehäuse derart mit dem Sicherungskörper oder dem stromführenden Leiter koppelbar, dass es den Sicherungskörper bzw. den stromführenden Leiter im gekoppelten Zustand zumindest teilweise umfasst.
Um das Gehäuse in einer Richtung quer zur Längserstreckungsrichtung mit dem Sicherungskörper oder dem stromführenden Leiter zu koppeln, kann das Gehäuse entweder C-förmig gestaltet oder aber aus mehreren, gegeneinander beweglichen Teilen, die zusammen eine geschlossenen oder fast geschlossene Ringform ergeben, gebildet sein. Ebenso ist es möglich, die gegeneinander beweglichen Teile mit einem Federelement zu koppeln, so dass das Gehäuse ähnlich einem Karabiner auf den Sicherungskörper oder dem stromführenden Leiter aufgeclipst oder aufgeschnappt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Messvorrichtung ferner eine Verarbeitungseinrichtung auf, welche mit der Messeinrichtung elektrisch leitend verbunden ist, um ein vom Stromsensor erfasstes Messsignal zu empfangen und zu verarbeiten. Zur Weiterleitung der verarbeiteten Daten ist die Messvorrichtung elektrisch leitend mit der Übertragungseinrichtung verbunden.
Zur Verarbeitung der Daten weist die Verarbeitungseinrichtung einen Prozessor, einen Mikrokontroller oder einen Filter auf. Eingangsseitig ist die Verarbeitungseinrichtung dabei mit dem Stromsensor der Messeinrichtung elektrisch leitend verbunden:

das vom Stromsensor generiete Messsignal wird empfangen und von der Verarbeitungseinrichtung verarbeitet. Die so erzeugten Daten werden dann an die ausgangsseitig mit der Verarbeitungseinrichtung verbundene Übertragungseinrichtung weitergeleitet, welche die empfangenen Daten an die außerhalb der Messvorrichtung angeordnete Empfangseinrichtung überträgt. Auf diese Weise ist es möglich, dass nicht sämtliche vom Stromsensor generierten Messsignale an Empfangseinrichtung übertragen werden: die Messsignale können beispielsweise über die Zeit aggregiert werden, oder es werden lediglich diejenigen Messsignale, die einen Primärstrom außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs repräsentieren, aufbereitet und zur Übertragung an die Übertragungseinrichtung weitergeleitet. Auf diese Weise kann das an die Empfangseinrichtung zu übertragende Datenvolumen deutlich reduziert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Messvorrichtung energie-autark ausgebildet.
Hierunter ist zu verstehen, dass die Messvorrichtung ohne externe Energiequelle auskommt. Die für die Übertragungseinrichtung und/oder die Verarbeitungseinrichtung benötigte elektrische Energie wird dann beispielsweise mit Hilfe einer eigenen Batterie oder über passiv-RFID zur Verfügung gestellt. Alternativ dazu ist es ebenfalls möglich, die für die Übertragung und/oder Verarbeitung der Messdaten benötigte Energie mit Hilfe eines als Stromwandler ausgebildeten Stromsensors aus dem Primärstrom der Schmelzsicherung zu generieren. Auf diese Weise wird die Nachrüstung bestehender Anlagen deutlich vereinfacht, da kein weitere Verdrahtungsaufwand zur Bereitstellung der benötigten Energie erforderlich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Messvorrichtung erfolgt die Übertragung des den Primärstrom repräsentierenden Wertes an die außerhalb der Messvorrichtung angeordnete Empfangseinrichtung drahtlos.
Durch eine drahtlose Übertragung der Daten an die externe, d.h. außerhalb der Messvorrichtung angeordnete Empfangseinrichtung wird der Installationsaufwand der Messvorrichtung deutlich vereinfacht. Für die kabellose oder drahtlose Übertragung der Daten - Messwerte oder auf Messwerten basierende, vorverarbeitete Daten - von der Übertragungseinrichtung an die Empfangsvorrichtung kommen gängige Übertragungsverfahren wie beispielsweise Bluetooth, RFID (sowohl aktiv als auch passiv), ZigBee, etc. in Betracht. Die für die Übertragung benötigte Energie wird dabei vorteilhafter Weise wieder mit Hilfe des Stromwandlers durch elektromagnetische Induktion aus dem Primärstrom gewonnen.
Die erfindungsgemäße Sicherungsanordnung weist eine standardisierte Schmelzsicherung sowie eine vorstehend beschriebene Messvorrichtung, welche derart mit der Schmelzsicherung gekoppelt ist, dass der durch die Schmelzsicherung fließende Primärstrom messbar ist, auf.
Durch die Kombination einer standardisierten Schmelzsicherung mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann der durch Schmelzsicherung fließende elektrische Strom gemessen werden. Dadurch wird eine intelligente Schmelzsicherung geschaffen, welche neben ihrer eigentlichen Funktion als Sicherungselement in einem elektrischen Verteilsystem zusätzlich über eine Kommunikationsfunktionalität verfügt, die es erlaubt, Informationen über den aktuellen Zustand der Schmelzsicherung jederzeit in Echtzeit und ohne die Notwendigkeit eines Technikers vor Ort zu ermitteln. Dies ist insbesondere für die Erstellung sogenannter „smart grids“ - intelligente Stromnetze - von Vorteil, da die hierfür benötigten Informationen nicht erst durch das Nachrüsten mit geeigneten Sensoren sowie Kommunikationsgeräten ermittelt werden müssen, sondern bereits durch den Austausch einer bestehenden, herkömmlichen Schmelzsicherung durch die erfindungsgemäße Sicherungsanordnung erfasst werden können. Die erfindungsgemäße Sicherungsanordnung ist daher insbesondere für Retrofit-Anwendungen bestens geeignet.
Alternativ dazu ist es ebenfalls möglich, die Messvorrichtung konstruktiv derart auszugestalten, dass sie nachträglich mit einer bereits in einem Verteilnetz verbauten, standardisierten Schmelzsicherung koppelbar ist, derart, dass der durch die Schmelzsicherung fließende Primärstrom mit Hilfe der Messvorrichtung gemessen und an eine außerhalb der Messvorrichtung angeordnete Empfangseinrichtung übertragen werden kann.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Strommessung, weist zumindest eine Sicherungsanordnung der vorstehend beschriebenen Art sowie eine Empfangseinrichtung, welche außerhalb der Messvorrichtung angeordnet ist, um den einen Primärstrom der Schmelzsicherung repräsentierenden Wert, welcher von der Messvorrichtung übertragen wird, zu empfangen, auf.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Strommessung weist neben der vorstehend beschriebenen Sicherungsanordnung, d.h. neben der Kombination aus einer standardisierten Schmelzsicherung mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, zusätzlich eine Empfangseinrichtung auf, um die von der Übertragungseinrichtung übertragenen Daten zu empfangen. Bei diesen den Primärstrom der Schmelzsicherung repräsentierenden Daten kann es sich sowohl um die vom Stromsensor generieren Messwerte als auch um die aus diesen Messwerten mit Hilfe der Verarbeitungseinrichtung erzeugten, weiterverarbeiteten Daten handeln. Insbesondere bei der Erstinstallation eines elektrischen Verteilnetzes kann somit auf einfache Art und Weise ein intelligentes Verteilnetz realisiert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der weist die Anordnung zur Strommessung ferner einen Elektroinstallationsverteiler auf, in dem die zumindest eine Sicherungsanordnung sowie die Empfangseinrichtung angeordnet sind.
In einem Elektroinstallationsverteiler sind die Schalt- und Sicherungselemente einer Stromverteilung angeordnet und können so vor schädlichen Umgebungseinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub und Schmutz sowie vor unberechtigtem Zugriff wirksam geschützt werden. Die Empfangseinrichtung kann dabei als zentraler Datensammler ausgebildet sein, welcher nicht nur die Daten der erfindungsgemäßen Sicherungsanordnung, sondern auch die der weiteren im Elektroinstallationsverteiler angeordneten Schalt- und Schutzgeräte erfasst. Diese Informationen können dann in der Empfangseinrichtung gespeichert, verarbeitet und/oder an eine übergeordnete Stelle, beispielsweise eine Leitwarte, weitergeleitet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Anordnung ist die Empfangseinrichtung dazu ausgebildet, Daten unterschiedlicher Sicherungsanordnungen zu empfangen sowie die jeweiligen Daten der jeweiligen Sicherungsanordnung eindeutig zuzuordnen.
Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass nicht für jede Sicherungsanordnung eine eigene Empfangseinrichtung benötigt wird, sondern eine gemeinsame Empfangseinrichtung für eine Mehrzahl oder Vielzahl unterschiedlicher Sicherungsanordnung, sowie für weitere Schalt- und Schutzgeräte verwendet werden kann, wodurch eine vereinfachte Aggregation der ermittelten Daten ermöglicht wird.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Messvorrichtung sowie der Sicherungsanordnung unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:

1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten NH-Sicherung;
2 bis 4 schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sowie der erfindungsgemäßen Sicherungsanordnung in verschiedenen Ansichten;
5 und 6 schematische Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung in unterschiedlichen Ansichten;

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen das entsprechende Teil ebenfalls zu erkennen ist.
1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau einer standardisierten NH-Schmelzsicherung, wie sie aus dem Stand der Technik bereits vorbekannt ist. Die Schmelzsicherung 1 weist zwei Anschlusselemente 3 auf, welche aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, beispielsweise Kupfer, bestehen. In den Darstellungen sind die Anschlusselemente 3 als Messerkontakte ausgebildet - dies ist jedoch nicht erfindungswesentlich. Die Anschlusselemente 3 sind mechanisch fest und dicht mit einem Schutzgehäuse 2 mit der Höhe H verbunden, welches aus einem festen, nichtleitenden und möglichst hitzebeständigen Werkstoff, beispielsweise aus einer Keramik, besteht und als Druckkörper für die Schmelzsicherung 1 dient. Das Schutzgehäuse 2 weist im Allgemeinen eine röhren- oder hohlzylinderförmige Grundform auf und ist nach außen druckdicht, beispielsweise mit Hilfe zweier Verschlusskappen 4, verschlossen. Die Anschlusselemente 3 erstrecken sich dabei jeweils durch eine in den Verschlusskappen 4 ausgebildete Öffnung in den Hohlraum des Schutzgehäuses 2. In diesem Hohlraum ist zumindest ein sogenannter Schmelzleiter 5 angeordnet, welcher die beiden Anschlusselemente 3 elektrisch leitend miteinander verbindet.
Der verbleibende Hohlraum ist zumeist vollständig mit einem Löschmittel 6 befüllt, welches zum Löschen und Kühlen der Schmelzsicherung 1 im Auslösefall dient und den Schmelzleiter 5 vollständig umgibt. Als Löschmittel 6 wird beispielsweise Quarzsand verwendet. Anstelle des in 1 dargestellten einen Schmelzleiters 5 ist es ebenso möglich, mehrere Schmelzleiter 5 elektrisch zueinander parallel geschaltet in dem Schutzgehäuse 2 anzuordnen und entsprechend mit den beiden Kontaktelementen 3 zu kontaktieren. Durch Art, Anzahl, Anordnung und Gestaltung der Schmelzleiter 3 kann die Auslösekennlinie - und damit das Auslöseverhalten - der Schmelzsicherung 1 beeinflusst werden.
Der Schmelzleiter 5 besteht im Allgemeinen aus einem gut leitenden Werkstoff wie Kupfer oder Silber und weist über seine Länge, d.h. in seiner Längserstreckungsrichtung L, mehrere Engstellenreihen 7 sowie ein oder mehrere Lotdepots 8 - sogenannte Lotpunkte - auf. Die Längserstreckungsrichtung L ist somit die Parallele zu einer gedachten Verbindungslinie der beiden Anschlusselemente 3. Über die Engstellenreihen 7 sowie die Lotpunkte 8 kann ebenfalls die Auslösekennlinie der Schmelzsicherung 1 beeinflusst und an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Bei Strömen, die kleiner sind als der Nennstrom der Schmelzsicherung 1, wird im Schmelzleiter 5 nur so viel Verlustleistung umgesetzt, dass diese in Form von Wärme schnell über den Löschsand 6, das Schutzgehäuse 2 sowie die beiden Anschlusselemente 3 nach außen abgegeben werden kann. Die Temperatur des Schmelzleiters 5 steigt dabei nicht über dessen Schmelzpunkt hinaus an. Fließt ein Strom, der im Überlastbereich der Schmelzsicherung 1 liegt, so steigt die Temperatur im Inneren der Schmelzsicherung 1 stetig weiter an, bis der Schmelzpunkt des Schmelzleiters 5 überschritten wird und dieser an einer der Engstellenreihen 7 durchschmilzt. Bei hohen Fehlerströmen - wie sie beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses auftreten - wird so viel Energie im Schmelzleiter 5 umgesetzt, dass dieser praktisch auf der ganzen Länge aufgeheizt wird und infolge dessen an allen Engstellenreihen 7 gleichzeitig schmilzt.
Da flüssiges Kupfer bzw. Silber noch gute elektrisch leitende Eigenschaften aufweist, wird der Stromfluss zu diesem Zeitpunkt noch nicht unterbrochen. Die aus dem Schmelzleiter 5 gebildete Schmelze wird folglich weiter aufgeheizt, bis sie schließlich in den gasförmigen Zustand übergeht, wodurch sich ein Plasma bildet. Dabei entsteht ein Lichtbogen, um den Stromfluss über das Plasma weiter aufrecht zu erhalten. Im letzten Stadium einer Sicherungsabschaltung reagieren die leitfähigen Gase mit dem Löschmittel 6, welches bei konventionellen Schmelzsicherungen 1 zumeist aus Quarzsand besteht. Dieser wird aufgrund der durch den Lichtbogen bedingten, extrem hohen Temperaturen im Umfeld des Lichtbogens aufgeschmolzen, was zu einer physikalischen Reaktion des geschmolzenen Schmelzleitermaterials mit dem umgebenden Quarzsand 6 führt. Da das dabei entstehende Reaktionsprodukt elektrisch nicht leitend ist, sinkt der Stromfluss zwischen den beiden Anschlusselementen 3 rasch gegen Null ab. Dabei ist jedoch zu beachten, dass einer bestimmten Masse an Schmelzleitermaterial auch eine entsprechende Masse an Löschmittel erfordert. Nur so kann sichergestellt werden, dass am Ende der Sicherungsabschaltung noch genügend Löschmittel 6 vorhanden ist, um das gesamte leitfähige Plasma wirksam zu binden.
In den 2 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 schematisch dargestellt. Dabei zeigen die 2 und 3 die erfindungsgemäße Sicherungsanordnung, welche aus einer Kombination aus einer standardisierten Schmelzsicherung 1 sowie der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 gebildet ist, in einer Seitenansicht bzw. in perspektivischer Ansicht. In 4 ist die erfindungsgemäße Anordnung zur Strommessung, die neben zumindest einer Sicherungsanordnung zusätzlich noch eine Empfangseinrichtung 20 aufweist, in einem Teilschnitt schematisch dargestellt.
Die Messvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 11 auf, in dem ein ring- oder rohrförmiger Stromwandler 12 aufgenommen und gehaltert ist. Der Stromwandler 12 dient dazu, einen durch die Schmelzsicherung 1 fließenden elektrischen Primärstrom I zu erfassen und fungiert somit als Stromsensor für die Schmelzsicherung 1. Weiterhin sind in dem Gehäuse 11 eine Übertragungseinrichtung 13 sowie eine Verarbeitungseinrichtung 14 aufgenommen und gehaltert. Die Verarbeitungseinrichtung 14 ist eingangsseitig mit dem Stromwandler 12 elektrisch leitend verbunden und dient dazu, die vom Stromwandler 12 generierten Messwerte zu empfangen und zu verarbeiten. Hierzu kann die Verarbeitungseinrichtung 14 beispielsweise einen Prozessor oder Mikrokontroller aufweisen, mit deren Hilfe die vom Stromwandler 12 empfangenen Daten verarbeitet - beispielsweise aggregiert oder auch analysiert werden. Ausgangsseitig ist die Verarbeitungseinrichtung 14 mit der Übertragungseinrichtung 13 elektrisch leitend verbunden, um die erzeugten Daten - verarbeitete Daten oder auch nur die Messwerte - an die Übertragungseinrichtung 13 weiterzuleiten. Mit Hilfe der Übertragungseinrichtung 13 werden diese Daten dann an eine außerhalb der Messvorrichtung 10 angeordnete Empfangseinrichtung 20 übertragen. Hierzu wird vorteilhafter Weise eine drahtlose Übertragungstechnik, beispielsweise RFID, Bluetooth oder ZigBee, verwendet.
Im Teilschnitt der 4 sind die Übertragungseinrichtung 13 sowie die Verarbeitungseinrichtung 14 lediglich schematisch dargestellt, weswegen hieraus keine Lagebeziehungen oder Größenverhältnisse abgeleitet werden können. Darüber hinaus ist es möglich, die Übertragungseinrichtung 13 sowie die Verarbeitungseinrichtung 14 auf einer gemeinsamen Leiterplatte anzuordnen oder als integriertes Bauteil auszugestalten.
In dem in den 2 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 11 der Messvorrichtung 10 mit der Schmelzsicherung 1 dadurch gekoppelt, dass es unmittelbar am Sicherungskörper 2 der Schmelzsicherung 1 angeordnet ist. In den 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 in unterschiedlichen Ansichten schematisch dargestellt, bei dem das Gehäuse 11 der Messvorrichtung 10 nicht unmittelbar am Sicherungskörper 2, sondern an einem stromführenden Leiter 9 der Schmelzsicherung angeordnet ist. Bei dem stromführenden Leiter 9 kann es sich beispielsweise - wie in den 5 und 6 dargestellt - um eine elektrische Zu- oder Ableitung der Schmelzsicherung 1 handeln. Es ist jedoch ebenso möglich, die Messvorrichtung 10 mit einem der Anschlusselemente 3 der Schmelzsicherung 1 zu koppeln, um auf diese Weise den durch die Schmelzsicherung 1 fließenden Primärstrom I zu erfassen. Im Unterschied zu dem in den 2 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist in dem in den 5 und 6 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel das Gehäuse 11 der Messvorrichtung 10 zweiteilig ausgeführt. Die beiden Gehäuseteile 11-1 und 11-2 werden dabei um das stromführende Bauteil - Sicherungskörper 2 oder elektrischer Leiter 3, 9 - herum angeordnet und mittels zweier Verbindungselemente 15 miteinander verbunden.
Durch die Kopplung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 mit einer einfachen, standardisierten Schmelzsicherung 1 wird aus einer herkömmlichen Schmelzsicherung 1 eine intelligente, kommunikationsfähige Schmelzsicherung, bei der der aktuelle Primärstrom erfasst - und damit analysiert und überwacht werden kann. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 ergibt sich dabei der Vorteil, dass der eigentliche, ursprüngliche Bauraum des Sicherungskörpers 2 der Schmelzsicherung 1 vollständig erhalten bleibt. Dies ist insbesondere bei Schmelzsicherungen 1 mit einem höheren Nennstrom von Vorteil, da die Menge des zum Löschen des Lichtbogens benötigten Löschmittels, welche die Baugröße des Scherungskörpers maßgeblich beeinflusst, mit steigendem Nennstrom ebenfalls ansteigt.
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 sind die Messeinrichtung mit dem Stromsensor, die Übertragungseinrichtung 13 und ggf. die Verarbeitungseinrichtung 14 in einem Gehäuse 11 angeordnet, welches gleich einer Manschette am Sicherungskörper 2 oder einem stromführenden Leiter 3, 9 angebracht werden kann. Damit ist sowohl eine Nachrüstung bestehender, bereits verbauter Schmelzsicherungen, als auch eine Aufrüstung einer noch nicht verbauten, herkömmlichen Schmelzsicherung zu einer intelligenten Schmelzsicherung auf einfache Art und Weise durchführbar. Die Manschette kann sowohl als geschlossenes Teil, welches über das stromführende Bauteil - Sicherungskörper 2 oder elektrischer Leiter 3, 9 - gesteckt wird, als auch aus mehreren Teilen, welche das um das stromführende Bauteil gelegt, geklappt oder geclipst werden, realisiert werden. Die Manschette, die sowohl starr als auch flexibel sein kann, ist über ihre ringförmige Öffnung mit der Schmelzsicherung 1 - entweder unmittelbar über den Sicherungskörper 2 oder mittelbar über den stromführenden Leiter 3 oder 9 - koppelbar, um den durch die Schmelzsicherung fließenden elektrischen Primärstrom zu messen. Die für die Datenübertragung und - falls eine Verarbeitungseinrichtung 14 verwendet wird - für die Datenverarbeitung benötigte elektrische Energie kann dabei aus dem durch die Schmelzsicherung 1 fließenden Primärstrom gewonnen werden, so dass hierfür keine zusätzliche Verdrahtung erforderlich ist.
Bezugszeichenliste

1: Schmelzsicherung
2: Sicherungskörper / Schutzgehäuse / Druckkörper
3: Anschlusselement
4: Verschlusskappe
5: Schmelzleiter
6: Löschmittel / Löschsand
7: Engstellenreihe
8: Lotdepot
9: Leiter
10: Messvorrichtung
11: Gehäuse
12: Stromwandler
13: Übertragungseinrichtung
14: Verarbeitungseinrichtung
15: Verbindungselement
20: Empfangseinrichtung
H: Höhe
I: Primärstrom
L: Längserstreckungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0917723 B1 [0003]
DE 102014205871 A1 [0003]
DE 102016211621 A1 [0003]
WO 2017/078525 A1 [0009]

Claims

Messvorrichtung (10), welche zum Zusammenwirken mit einer Schmelzsicherung (1) ausgestaltet ist, - mit einer Messeinrichtung, welche einen Stromsensor zur Erfassung eines durch die Schmelzsicherung (1) fließenden elektrischen Primärstromes (I) aufweist, - mit einer Übertragungseinrichtung (13), welche mit der Messeinrichtung elektrisch leitend verbunden ist, um einen den gemessenen Primärstrom (I) repräsentierenden Wert an eine außerhalb der Messvorrichtung (10) angeordnete Empfangseinrichtung (20) zu übertragen, - mit einem Gehäuse (11), in dem die Messeinrichtung und die Übertragungseinrichtung (13) aufgenommen und gehaltert sind, wobei das Gehäuse (11) mit der Schmelzsicherung (1) derart koppelbar ist, dass der durch die Schmelzsicherung (1) fließende Primärstrom (I) messbar ist.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der der Stromsensor als Stromwandler (12) oder Hall-Effekt-Sensor ausgebildet ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gehäuse (11) unmittelbar mit einem Sicherungskörper (2) der Schmelzsicherung (1) oder mit einem stromführenden Leiter (3, 9) der Schmelzsicherung (1) gekoppelt ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Gehäuse (11) eine Öffnung aufweist, über die das Gehäuse (11) auf den Sicherungskörper (2) oder den stromführenden Leiter (3, 9) aufsteckbar ist.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Gehäuse (11) derart mit dem Sicherungskörper (2) oder dem stromführenden Leiter (3, 9) koppelbar ist, dass es diesen im gekoppelten Zustand zumindest teilweise umfasst.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Verarbeitungseinrichtung (14), die mit der Messeinrichtung elektrisch leitend verbunden ist, um ein vom Stromsensor (12) erfasstes Messsignal zu empfangen und zu verarbeiten, und die zur Weiterleitung der verarbeiteten Daten mit der Übertragungseinrichtung (13) elektrisch leitend verbunden ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (10) energie-autark ausgebildet ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Übertragung des den Primärstrom (I) repräsentierenden Wertes an die außerhalb der Messvorrichtung (10) angeordnete Empfangseinrichtung (20) drahtlos erfolgt.
Sicherungsanordnung, mit mit einer standardisierten Schmelzsicherung (1) sowie einer Messvorrichtung (10), welche nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet und derart mit der Schmelzsicherung (1) gekoppelt ist, dass der durch die Schmelzsicherung (1) fließende Primärstrom (I) messbar ist.
Anordnung zur Strommessung, - mit zumindest einer Sicherungsanordnung nach Anspruch 9, sowie - mit einer Empfangseinrichtung (20), welche außerhalb der Messvorrichtung (10) angeordnet ist, um den einen Primärstrom (I) der Schmelzsicherung (1) repräsentierenden Wert, welcher von der Messvorrichtung (10) übertragen wird, zu empfangen.
Anordnung nach Anspruch 10, welche ferner einen Elektroinstallationsverteiler aufweist, in dem die zumindest eine Sicherungsanordnung sowie die Empfangseinrichtung (20) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei der die Empfangseinrichtung (20) zum Empfangen von Daten unterschiedlicher Sicherungsanordnungen sowie zur eindeutigen Zuordnung der jeweiligen Daten zur der jeweiligen Sicherungsanordnung ausgebildet ist.