DE102021210824A1 - Schutzschaltgerät und Verfahren - Google Patents

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Manfred Heindl
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis mit:- einer Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises,- eine durch eine mechanische Handhabe bedienbare mechanische Trennkontakteinheit, so dass ein Öffnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis geschaltet werden kann,- eine elektronische Unterbrechungseinheit, die stromkreisseitig in Serie zur mechanischen Trennkontakteinheit geschaltet ist und die durch halbleiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses und einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis aufweist,- dass die ermittelte Höhe des Stromes mit Stromgrenzwerten verglichen wird und bei Überschreitung der Stromgrenzwerte eine Vermeidung des Stromflusses im Niederspannungsstromkreises initiiert wird. Erfindungsgemäß bedient ein Benutzer des Schutzschaltgerätes die mechanische Handhabe um die Kontakte zu schließen, wobei die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig ist. Nach dem Schließen der Kontakte wird die elektronische Unterbrechungseinheit erst dann niederohmig, wenn eine Überprüfungsfunktion einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zulässt.

Description

  • Die Erfindung betrifft das technische Gebiet eines Schutzschaltgerätes für einen Niederspannungsstromkreis mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 14.
  • 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 Nennströmen bzw. Bemessungsströmen von bis zu 125 Ampere, spezifischer bis zu 63 Ampere gemeint. Mit Niederspannungsstromkreis sind insbesondere Stromkreise mit Nennströmen bzw. Bemessungsströmen von bis zu 50 Ampere, 40 Ampere, 32 Ampere, 25 Ampere, 16 Ampere oder 10 Ampere gemeint. Mit den genannten Stromwerten sind insbesondere Nenn-, Bemessungs- oder/und Abschaltströme gemeint, d.h. der Strom der im Normalfall maximal über den Stromkreis geführt wird bzw. bei denen der elektrische Stromkreis üblicherweise unterbrochen wird, beispielsweise durch eine Schutzeinrichtung, wie ein Schutzschaltgerät, Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter.
  • 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 weisen üblicherweise eine Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung auf einer so genannten Hutschiene (Tragschiene, DIN-Schiene, TH35) auf.
  • Leitungsschutzschalter sind elektromechanisch aufgebaut. In einem Gehäuse weisen sie einen mechanischen Schaltkontakt bzw. Arbeitsstromauslöser zur Unterbrechung (Auslösung) des elektrischen Stromes auf. Üblicherweise wird ein Bimetall-Schutzelement bzw. Bimetall-Element zur Auslösung (Unterbrechung) bei länger anhaltenden Überstrom (Überstromschutz) respektive bei thermischer Überlast (Überlastschutz) eingesetzt. Ein elektromagnetischer Auslöser mit einer Spule wird zur kurzzeitigen Auslösung bei Überschreiten eines Überstromgrenzwerts bzw. im Falle eines Kurzschlusses (Kurzschlussschutz) eingesetzt. Eine oder mehrere Lichtbogenlöschkammer(n) bzw. Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung sind vorgesehen. Ferner Anschlusselemente für Leiter des zu schützenden elektrischen Stromkreises.
  • Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit sind relativ neuartige Entwicklungen. Diese weisen eine halbleiterbasierte elektronische Unterbrechungseinheit auf. D.h. der elektrische Stromfluss des Niederspannungsstromkreises wird über Halbleiterbauelemente respektive Halbleiterschalter geführt, die den elektrischen Stromfluss unterbrechen bzw. leitfähig geschaltet werden können. Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit weisen ferner häufig ein mechanisches Trennkontaktsystem auf, insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß einschlägigem Normen für Niederspannungsstromkreise, wobei die Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet sind, d.h. der Strom des zu schützenden Niederspannungsstromkreises wird sowohl über das mechanische Trennkontaktsystem als auch über die elektronische Unterbrechungseinheit geführt.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Niederspannungswechselstromkreise, mit einer Wechselspannung, üblicherweise mit einer zeitabhängigen sinusförmigen Wechselspannung mit der Frequenz f. Die zeitliche Abhängigkeit des momentanen Spannungswertes u(t) der Wechselspannung ist durch die Gleichung: u ( t ) = U*sin ( 2 π * f*t )
    Figure DE102021210824A1_0001
    beschrieben. Wobei:
    • u(t) = momentaner Spannungswert zu der Zeit t
    • U = Amplitude der Spannung
  • Eine harmonische Wechselspannung lässt sich durch die Rotation eines Zeigers darstellen, dessen Länge der Amplitude (U) der Spannung entspricht. Die Momentanauslenkung ist dabei die Projektion des Zeigers auf ein Koordinatensystem. Eine Schwingungsperiode entspricht einer vollen Umdrehung des Zeigers und dessen Vollwinkel beträgt 2π (2Pi) bzw. 360°. Die Kreisfrequenz ist die Änderungsrate des Phasenwinkels dieses rotierenden Zeigers. Die Kreisfrequenz einer harmonischen Schwingung beträgt immer das 2π-fache ihrer Frequenz, d.h.: ω = 2 π * f = 2 π/ T = Kreisfrequenz der Wechselspannung ( T = Periodendauer der Schwingung )
    Figure DE102021210824A1_0002
  • Häufig wird die Angabe der Kreisfrequenz (ω) gegenüber der Frequenz (f) bevorzugt, da sich viele Formeln der Schwingungslehre aufgrund des Auftretens trigonometrischer Funktionen, deren Periode per Definition 2n ist, mit Hilfe der Kreisfrequenz kompakter darstellen lassen: u ( t ) = U*sin ( ω t )
    Figure DE102021210824A1_0003
    Im Falle zeitlich nicht konstanter Kreisfrequenzen wird auch der Begriff momentane Kreisfrequenz verwendet.
  • Bei einer sinusförmigen, insbesondere zeitlich konstanten, Wechselspannung entspricht der zeitabhängige Wert aus der Winkelgeschwindigkeit ω und der Zeit t dem zeitabhängigen Winkel φ(t), der auch als Phasenwinkel φ(t) bezeichnet wird. D.h. der Phasenwinkel φ(t) durchläuft periodisch den Bereich 0...2π bzw. 0°...360°. D.h. der Phasenwinkel nimmt periodisch einen Wert zwischen 0 und 2n bzw. 0° und 360° an (φ = n* (0...2π) bzw. φ = n* (0°...360°), wegen Periodizität; verkürzt: φ = 0...2π bzw. φ = 0°...360°) .
  • Mit momentanem Spannungswert u(t) ist folglich der momentane Wert der Spannung zum Zeitpunkt t, d.h. bei einer sinusförmigen (periodischen) Wechselspannung der Wert der Spannung zum Phasenwinkel φ gemeint (φ = 0...2π bzw. φ = 0°...360°, der jeweiligen Periode).
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schutzschaltgerät eingangs genannter Art zu verbessern, insbesondere die Sicherheit eines derartigen Schutzschaltgerätes zu verbessern bzw. ein neuartiges Konzept für ein derartiges Schutzschaltgerät zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Schutzschaltgeräte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises, insbesondere Niederspannungswechselstromkreises, vorgesehen, aufweisend:
    • - ein Gehäuse mit netzseitigen und lastseitigen Anschlüssen für Leiter des Niederspannungsstromkreises,
    • - insbesondere eine (erste) Spannungssensoreinheit, zur Ermittlung der Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises,
    • - eine Stromsensoreinheit, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises,
    • - eine durch eine mechanische Handhabe bedienbare und schaltbare mechanische Trennkontakteinheit, so dass ein Öffnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schlie-ßen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis (durch die Handhabe) schaltbar ist, damit ist (insbesondere) eine galvanische Trennung im Niederspannungsstromkreis schaltbar; bei einer mechanischen Trennkontakteinheit wird ein Öffnen von Kontakten auch als Freischalten und ein Schließen von Kontakten als Zuschalten bezeichnet;
    • - eine elektronische Unterbrechungseinheit, die stromkreisseitig in Serie zur mechanischen Trennkontakteinheit geschaltet ist und die durch halbleiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen (insbesondere nichtleitenden) Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses und einen niederohmigen (leitenden) Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis aufweist; bei einer elektronische Unterbrechungseinheit wird ein hochohmiger (insbesondere nichtleitender) Zustand der Schaltelemente (zur Vermeidung eines Stromflusses) auch als ausgeschalteter Zustand (Vorgang: Ausschalten) und ein niederohmiger (leitender) Zustand der Schaltelemente (zum Stromfluss) als eingeschalter Zustand (Vorgang: Einschalten) bezeichnet;
    • - einer Steuerungseinheit, die mit der (ersten) Spannungssensoreinheit, der Stromsensoreinheit, der mechanischen Trennkontakteinheit und der elektronischen Unterbrechungseinheit verbunden ist, wobei bei Überschreitung von Stromgrenzwerten oder Strom-Zeitgrenzwerten (d.h. wenn ein Stromgrenzwert für eine bestimmte Zeitspanne überschritten wird) eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird, insbesondere um einen Kurzschlussstrom zu vermeiden.
  • Das Schutzschaltgerät ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass ein Benutzer des Schutzschaltgerätes die mechanische Handhabe (für einen Einschaltvorgang) bedient, um die Kontakte zu schließen (Zuschaltvorgang), wobei die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig ist. Nach dem Schließen der Kontakte wird die elektronische Unterbrechungseinheit erst dann niederohmig, wenn eine Überprüfungsfunktion einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zulässt (Einschaltvorgang abgeschlossen).
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Stromfluss erst dann erfolgt bzw. zugelassen wird, wenn eine Überprüfungsfunktion des Schutzschaltgerätes einen niederohmigen Zustand zulässt. So wird einerseits eine erhöhte Betriebssicherheit erreicht, wobei beispielsweise ein Gerät mit defekten Schutzfunktionen, bei dem die Überprüfungsfunktion einen niederohmigen Zustand nicht zulässt, als stromführendes und schutzfunktionenübernehmendes Gerät im Stromkreis nicht einschaltet.
  • Andererseits wird ein völlig neues Betriebskonzept eingeführt, bei der ein Benutzer des Schutzschaltgerätes dieses zwar Zuschalten (d.h. ein Schließen der Kontakte der mechanische Trennkontakteinheit durch die mechanische Handhabe), aber nicht Einschalten (kein niederohmiger Zustand der Schaltelemente der elektronische Unterbrechungseinheit) kann. Ein Einschalten erfolgt ausschließlich durch das Schutzschaltgerät selbst. Ein Einschalten des Schutzschaltgerätes, d.h. ein Stromfluss im Niederspannungsstromkreis, kann nicht durch den Benutzer erzwungen werden. Insbesondere kann ein Einschalten des Schutzschaltgerätes - auch im fehlerfreien Zustand des Schutzschaltgerätes bzw. im fehlerfreien Fall des Niederspannungsstromkreises (z.B. kein Kurzschluss) - nicht durch den Benutzer erzwungen werden.
  • Das Schutzschaltgerät enthält erfindungsgemäß somit zwei Schalteinheiten, eine mechanische Trennkontakteinheit (Schalteinheit) und eine elektronische Unterbrechungseinheit (Schalteinheit), wobei
    • - die mechanische Trennkontakteinheit die Funktion zum (galvanischen) Zuschalten und Freischalten aufweist (durchführt/übernimmt), und
    • - die elektronische Unterbrechungseinheit die Funktion zum Ein- und Ausschalten des Stromes bzw. der Spannung aufweist (durchführt/übernimmt) .
  • Insbesondere ist durch die mechanische Handhabe nur die mechanische Trennkontakteinheit bedienbar. Das Ein- und Ausschalten mittels der elektronischen Unterbrechungseinheit ist nicht (direkt) am Gerät bedienbar.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und im Ausführungsbeispiel angegeben.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Anzeigeeinheit zur Informationsanzeige am Schutzschaltgerät vorgesehen, die mit der Steuerungseinheit (SE) verbunden ist. Die Anzeigeeinheit zeigt insbesondere Zustände des Schutzschaltgerätes an.
  • Die Informationsanzeige zeigt insbesondere den Zustand der Schaltelemente der elektronischen Unterbrechungseinheit an. Ferner kann insbesondere die Stellung der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit angezeigt werden.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Benutzer den Zustand des Schutzschaltgerätes schnell erkennen kann, insbesondere den Zustand der elektronischen Unterbrechungseinheit.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Überprüfungsfunktion einen Selbsttest der Funktionsfähigkeit des Schutzschaltgerätes auf,
    bei dem mindestens eine Komponente, insbesondere mehrere Komponenten,
    einer Einheit, insbesondere mehrerer Einheiten,
    des Schutzschaltgerätes überprüft wird (werden),
    und bei Funktionsfähigkeit der mindestens einen Komponente, insbesondere mehrerer Komponenten,
    einer Einheit, insbesondere mehrerer Einheiten,
    der niederohmige Zustand (der elektronischen Unterbrechungseinheit) zugelassen wird.
    Beispielsweise kann ein Selbsttest der Funktionsfähigkeit mindestens einer Komponente einer Einheit des Schutzschaltgerätes darin bestehen, dass von der Komponente der Einheit bzw. der Einheit, beispielsweise der Spannungssensoreinheit oder Stromsensoreinheit, an die Steuerungseinheit gelieferte Werte, beispielsweise Werte der ermittelten Höhe der Spannung oder des Stromes, definierte Grenzwerte (obere oder/und untere Grenzwerte) nicht überschreiten bzw. unterschritten.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Schutzschaltgerät mit fehlerbehafteten bzw. defekten Komponenten bzw. Einheiten nicht eingeschaltet wird (kein Stromfluss durch hochohmige Schaltelemente ermöglicht wird), so dass eine erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden bei fehlender Funktionsfähigkeit (fehlende Funktionsfähigkeit des Schutzschaltgerätes beim Selbsttest) die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit geöffnet.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Schutzschaltgerät mit fehlerbehafteten bzw. defekten Komponenten bzw. Einheiten nicht nur nicht eingeschaltet wird, sondern auch eine galvanische Trennung herbeigeführt wird, wodurch einerseits eine weiter erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht und andererseits eine Rückmeldung an den Benutzer über die fehlende Funktionsfähigkeit des Schutzschaltgerätes gegeben wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die elektronische Unterbrechungseinheit hinsichtlich Funktionsfähigkeit dahingehend überprüft, dass das halbleiterbasierte Schaltelement funktionsfähig ist.
  • Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die elektronische Unterbrechungseinheit kurzzeitig eingeschaltet wird, d.h. das halbleiterbasierte Schaltelement kurzzeitig niederohmig geschaltet wird. Mit kurzzeitig ist hierbei eine bestimmte Zeitspanne gemeint, insbesondere eine Zeitspanne von kleiner als 1 ms oder kleiner als 5 ms.
  • Mit kurzzeitig ist ferner ein Zeitbereich des Phasenwinkels der Wechselspannung gemeint, bei dem der momentane Spannungswert u(t) der Wechselspannung, insbesondere der Betrag des momentanen Spannungswertes, kleiner als ein bestimmter Spannungswert ist, beispielsweise kleiner oder gleich 50 Volt ist. D.h. sofern der (Betrag des) momentane Spannungswert (= Momentanwert der Spannung) kleiner als 50 Volt ist, kann für diesen Zeitraum / diese Zeitspanne bzw. einen Teil dieses Zeitraums / diese Zeitspanne, die elektronische Unterbrechungseinheit für die Überprüfung der Funktionsfähigkeit niederohmig geschaltet werden. Die bei diesem kurzzeitigen Einschalten ermittelte Höhe des Stromes bzw. die Höhe der Spannung am lastseitigen Anschluss, beispielsweise durch eine zweite Spannungssensoreinheit, kann ausgewertet werden, um auf eine Funktionsfähigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit bzw. des halbleiterbasierten Schaltelementes zu schließen. Liegt beim kurzzeitigen Einschalten am lastseitigen Anschluss die gleiche Spannungshöhe wie am netzseitigen Anschluss vor, ist beispielsweise die elektronische Unterbrechungseinheit bzw. des halbleiterbasierten Schaltelementes funktionsfähig (sofern kein Kurzschluss am lastseitigen Anschluss vorliegt). Zusätzlich kann deshalb eine parallele Auswertung der Höhe des Stromes erfolgen.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Schutzschaltgerät mit fehlerbehafteter bzw. defekter elektronischer Unterbrechungseinheit nicht eingeschaltet wird (kein Stromfluss durch hochohmige Schaltelemente ermöglicht wird), so dass eine erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht wird. Weiterhin, dass eine einfache Möglichkeit der Prüfung der Funktionsfähigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit gegeben ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die elektronische Unterbrechungseinheit hinsichtlich Funktionsfähigkeit dahingehend überprüft wird, dass eine Überspannungsschutzkomponente, wie ein Energy Absorber bzw. Überspannungsschutzelement, der elektronische Unterbrechungseinheit funktionsfähig ist.
  • Die Überprüfung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die elektronische Unterbrechungseinheit kurzzeitig eingeschaltet wird, d.h. das halbleiterbasierte Schaltelement kurzzeitig niederohmig geschaltet wird, siehe oben. Durch Überwachung der Höhe der Spannung oder/und des Stromes kann eine Überprüfung erfolgen, da eine Überspannungsschutzkomponente bei derartigen Schaltvorgängen in der Regel kurzfristige Stromflüsse erzeugt, die ausgewertet werden können. Daraus kann auf eine Funktionsfähigkeit geschlossen werden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Schutzschaltgerät mit fehlerbehafteter bzw. defekter elektronischer Unterbrechungseinheit nicht eingeschaltet wird (kein Stromfluss durch hochohmige Schaltelemente ermöglicht wird), so dass eine erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht wird. Weiterhin, dass eine einfache Möglichkeit der Prüfung der Funktionsfähigkeit einer Komponente der elektronischen Unterbrechungseinheit gegeben ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die (erste) Spannungssensoreinheit hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit zur Ermittlung der Höhe der Spannung geprüft wird. Dies kann beispielsweise einerseits dadurch erfolgen, dass die (erste) Spannungssensoreinheit Werte der Höhe der Spannung liefert, die definierte Grenzwerte (obere oder/und untere Grenzwerte) nicht überschreitet bzw. in einem erwarteten Wertebereich liegen.
  • Alternativ kann dies dadurch erfolgen, dass eine zweite Spannungssensoreinheit vorgesehen ist, beispielsweise die erste Spannungssensoreinheit am netzseitigen Anschluss und eine zweite Spannungssensoreinheit am lastseitigen Anschluss, wobei beide Spannungswerte miteinander verglichen werden, insbesondere bei ausgeschalter / eingeschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (und geschlossenen Kontakten). Aus entsprechenden Abweichungen der Höhen der Spannung, beispielsweise bei eingeschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit, können Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit zur Ermittlung der Höhe der Spannung geschlossen werden. Ist beispielsweise die Spannungsdifferenz zu hoch, liegt keine Funktionsfähigkeit vor.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Schutzschaltgerät mit fehlerbehafteter bzw. defekter Spannungssensoreinheit nicht eingeschaltet wird (kein Stromfluss durch hochohmige Schaltelemente ermöglicht wird), so dass eine erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht wird. Weiterhin, dass eine einfache Möglichkeit der Prüfung der Funktionsfähigkeit einer Einheit, in diesem Fall der Spannungssensoreinheit der elektronischen Unterbrechungseinheit gegeben ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Stromsensoreinheit hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit zur Ermittlung der Höhe des Stromes geprüft.
  • Die Überprüfung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die elektronische Unterbrechungseinheit kurzzeitig eingeschaltet wird, d.h. das halbleiterbasierte Schaltelement kurzzeitig niederohmig geschaltet wird, siehe oben. Durch Überwachung der Höhe des Stromes, insbesondere bei gleichzeitiger Ermittlung der Höhe der Spannung, kann eine Überprüfung der ermittelten Stromhöhe erfolgen. Liegt der Wert der ermittelten Stromhöhe in einem erwarteten Wertebereich, liegt z.B. eine Funktionsfähigkeit vor, andernfalls z.B. nicht.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Schutzschaltgerät mit fehlerbehafteter bzw. defekter elektronischer Unterbrechungseinheit nicht eingeschaltet wird (kein Stromfluss durch hochohmige Schaltelemente ermöglicht wird), so dass eine erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht wird. Weiterhin, dass eine einfache Möglichkeit der Prüfung der Funktionsfähigkeit einer Einheit (Komponente(n) einer Einheit), der Stromsensoreinheit, gegeben ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass die Temperatur des Gerätes, einer Einheit oder/und einer Komponente überwacht wird. Insbesondere die Überwachung der Temperatur des Mikroprozessors, der halbleiterbasierten Schaltelemente oder anderer Halbleiterelemente ist hierbei von Vorteil.
  • Überschreitet die Temperatur bestimmte Temperaturgrenzwerte, fehlt die Funktionsfähigkeit bzw. ist gefährdet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Schutzschaltgerät mit nicht funktionsfähigen Einheiten oder Komponenten nicht eingeschaltet wird (kein Stromfluss durch hochohmige Schaltelemente ermöglicht wird), so dass eine erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung führt die Überprüfungsfunktion eine Überprüfung mindestens eines, insbesondere mehrerer oder aller, der nachfolgenden Parameter durch:
    • - Überprüfung auf Überschreitung eines ersten Überspannungswertes oder/und höheren zweiten Überspannungswertes oder/und höheren dritten Überspannungswertes, insbesondere am bzw. im Bereich des netzseitigen Anschlusses,
    • - Überprüfung auf Unterschreitung eines ersten Unterspannungswertes, insbesondere am bzw. im Bereich des netzseitigen Anschlusses,
    • - Überprüfung auf Überschreitung eines ersten Temperaturgrenzwertes oder/und höheren zweiten Temperaturgrenzwertes oder/und höheren dritten Temperaturgrenzwertes,
    • - Überprüfung auf Parameter des lastseitigen Anschlusses, insbesondere auf Unterschreitung eines lastseitigen ersten oder/und zweiten Widerstandeswertes oder lastseitigen ersten oder/und zweiten Impedanzwertes.
  • Mit Überspannung bzw. Überspannungswert ist hierbei ein Überschreiten der gültigen Betriebsspannung gemeint. Nicht gemeint sind die Höhen von Überspannungsdips, beispielsweise bei so genannten Bursts bzw. Surges, die typischerweise bei 4 kV oder 8 kV liegen können (bei einem 230 Volt bzw. 400 Volt Netz), so genannte Netz-Überspannungen (d.h. beispielsweise das zehnfache der normativen Spannung des Niederspannungsstromkreises) .
  • Insbesondere kann der erste Überspannungswert einen bestimmten Prozentsatz höher sein als der normative Spannungswert. Beispielsweise bei einem normativen Spannungswert von 230 Volt beispielsweise 10 % höher, 230V + 10%.
  • Insbesondere kann der zweite Überspannungswert einen bestimmten höheren Prozentsatz höher sein als der normative Spannungswert. Beispielsweise bei einem normativen Spannungswert von 230 Volt beispielsweise 20 % höher, 230V + 20%. Insbesondere kann der dritte Überspannungswert einen bestimmten noch höheren Prozentsatz höher sein als der normative Spannungswert. Beispielsweise bei einem normativen Spannungswert von 230 Volt beispielsweise 30 % höher, 230V + 30%.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass z.B. ein Schutzschaltgerät an ein Netz mit abweichender normativer Spannung (Betriebsspannung) oder auf eine Last mit fehlerhaften Parametern nicht eingeschaltet wird. So kann z.B. ein fehlender Schutz bei fehlerhaftem Anschluss von z.B. eines 230 Volt Schutzschaltgerätes an z.B. den beiden Phasen mit einer Spannung von 400 Volt erkannt werden und vermieden werden sowie eine Fehlversorgung einer Last mit zu hoher Spannung vermieden werden. Ebenso kann eine damit in Zusammenhang stehende potenzielle Zerstörung des Schutzschaltgerätes vermieden werden. In analoger Weise kann ein Einschalten auf einen Kurzschluss vor Zuschalten der vollen Versorgungsspannung erkannt und vermieden werden. In analoger Weise können bei zu geringen Spannungen (ein 230 Volt Gerät im 115 Volt Netz) Probleme und fehlender Schutz vermieden werden. So wird eine erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird, abhängig von der vorhergehenden Implementierung:
    • bei Überschreitung des ersten Überspannungswertes eine Überspannungsinformation abgegeben,
    • bei Überschreitung des zweiten Überspannungswertes erfolgt ein hochohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit,
    • bei Überschreitung des dritten Überspannungswertes erfolgt ein Öffnen der Kontakte (Freischalten) durch die mechanische Trennkontakteinheit,
    • bei Unterschreitung des ersten Unterspannungswertes wird eine Unterspannungsinformation abgegeben oder/und die elektronische Unterbrechungseinheit bleibt hochohmig (insbesondere bei
    • einem dritten Unterspannungsgrenzwert), insbesondere sofern die Spannungshöhe größer als ein zweiter Unterspannungswert ist,
    • bei Überschreitung des ersten Temperaturgrenzwertes wird eine Temperaturinformation abgegeben,
    • bei Überschreitung des zweiten Temperaturgrenzwertes erfolgt ein hochohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit,
    • bei Überschreitung des dritten Temperaturgrenzwertes erfolgt ein Öffnen der Kontakte (Freischaltung),
    • bei Unterschreitung des lastseitigen ersten Widerstandeswertes oder lastseitigen ersten Impedanzwertes wird eine Impedanzinformation abgegeben, oder
    • bei Unterschreitung des lastseitigen zweiten Widerstandeswertes oder lastseitigen zweiten Impedanzwertes bleibt die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass abgestuft definierte Maßnahmen - Warnung - hochohmig bleiben - galvanische Trennung - durchgeführt werden, abhängig vom Über- bzw. Unterschreiten bestimmter definierter Paramater. So wird eine erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung führt die Überprüfungsfunktion die Überprüfung mindestens eines, insbesondere mehrerer oder aller, der Parameter kontinuierlich durch. Dies erfolgt insbesondere, sofern kein Öffnen der Kontakte erfolgte. Bei nicht mehr vorliegender Über- bzw. Unterschreitung des(/der) jeweiligen Parameter(s) wird ein niederohmiger Zustand der Schaltelemente zugelassen.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein differenziertes Verhalten des Schutzschaltgerätes ermöglicht wird. Bei fehlender Funktionsfähigkeit des Schutzschaltgerätes wird beispielsweise generell eine galvanische Trennung herbeigeführt. Bei abweichenden Parametern am netz- oder/und lastseitigen Anschlusses, die gewisse Grenzwerte nicht überschreiten, bleibt das Schutzschaltgerät im zugeschalteten - aber nicht eingeschalteten - Zustand, bis gegebenenfalls die Parameter im normalen Bereich sind. So wird eine hohe Flexibilität bei gleichzeitig hoher Sicherheit erreicht.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei zugeschalteter Trennkontakteinheit und niederohmiger Unterbrechungseinheit und
    • - bei einem ermittelten Strom, der einen ersten Stromschwellwert überschreitet, insbesondere dass der erste Stromschwellwert für eine erste Zeitspanne überschritten wird, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig und die mechanische Trennkontakteinheit bleibt geschlossen. Ferner kann:
    • - bei einem ermittelten Strom, der einen zweiten Stromschwellwert, insbesondere für eine zweite Zeitspanne, überschreitet, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig werden und die mechanische Trennkontakteinheit geöffnet werden. Ferner kann:
    • - bei einem ermittelten Strom, der einen dritten Stromschwellwert überschreitet, sofort bzw. quasi sofort, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig werden. Alternativ kann zusätzlich die mechanische Trennkontakteinheit geöffnet werden.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein abgestuftes Abschaltkonzept für ein erfindungsgemäßes Schutzschaltgerät vorliegt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit durch die Steuerungseinheit geöffnet, aber nicht geschlossen werden können.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht wird, insbesondere das ein elektronisches Zuschalten aus der Ferne nicht möglich ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine (mechanische) Anzeige der Kontaktstellung der mechanischen Trennkontakteinheit.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine visuelle Prüfung der Kontaktstellung auch im energielosen Zustand möglich ist. Somit wird eine erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die mechanische Trennkontakteinheit eine Freiauslösung auf, derart dass, wenn nach dem Beginn eines Schließvorganges der Kontakte ein Öffnen der Kontakte initiiert wird die Kontakte in die öffnende Stellung zurückkehren, auch wenn der Schließvorgang weiter aufrechterhalten wird.
  • Oder anders ausgedrückt, dass die bewegenden Kontakte in die offene Stellung zurückkehren und darin verharren, wenn das Öffnen der Kontakte nach dem Beginn des Schließens der Kontakte eingeleitet wird, auch dann, wenn der Vorgang des Schließens der Kontakte durch die Handhabe aufrechterhalten bleibt.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine erhöhte Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erreicht wird. Beim Zuschalten auf einen nicht erkannten (nicht bekannten) Kurzschluss betätigt der Benutzer die Handhabe der mechanischen Trennkontakteinheit und möchte so die Kontakte schließen. Die Kontakte müssen bei einem Kurzschluss allerdings öffnen, was der Bedienrichtung (dem Schließen der Kontakte durch den Bediener) entgegensteht. Nur das (schnelle) Öffnen der Kontakte entgegen der Bedienrichtung verhindert einen größeren Fehler.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Schutzschaltgerät einen Differenzstromsensor auf, zur Ermittlung von Differenzströmen im Niederspannungsstromkreis.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine weitere Funktionalität im Schutzschaltgerät implementiert und realisiert werden kann. So kann das Schutzschaltgerät um eine Fehlerstromerkennungsfunktion erweitert werden. Ein kompaktes vielseitiges Schutzschaltgerät steht zur Verfügung.
  • Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit elektronischen (halbleiterbasierten) Schaltelementen mit den gleichen und weiteren Vorteilen beansprucht.
  • Das Verfahren für ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis mit:
    • - einer Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises,
    • - eine durch eine mechanische Handhabe bedienbare mechanische Trennkontakteinheit, so dass ein Öffnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis geschaltet werden kann,
    • - eine elektronische Unterbrechungseinheit, die stromkreisseitig in Serie zur mechanischen Trennkontakteinheit geschaltet ist und die durch halbleiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses und einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis aufweist,
    • - dass die ermittelte Höhe des Stromes mit Stromgrenzwerten verglichen wird und bei Überschreitung der Stromgrenzwerte eine Vermeidung des Stromflusses im Niederspannungsstromkreises initiiert wird, um einen Kurzschlussstrom zu vermeiden. Erfindungsgemäß kann ein Benutzer des Schutzschaltgerätes die mechanische Handhabe (für einen Einschaltvorgang) bedienen, um die Kontakte zu schließen (Zuschaltvorgang), wobei die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig ist,
    nach dem Schließen der Kontakte wird die elektronische Unterbrechungseinheit erst dann niederohmig, wenn eine Überprüfungsfunktion einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zulässt.
  • Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt beansprucht. Das Computerprogrammprodukt umfass Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Mikrocontroller diesen veranlassen eine Überprüfungsfunktion für ein Schutzschaltgerät nach einem der Patentansprüche 1 bis 15 durchzuführen. Der Mikrocontroller ist teil des Schutzschaltgerätes, insbesondere der Steuerungseinheit.
  • Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt gespeichert ist, beansprucht.
  • Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Datenträgersignal, das das Computerprogrammprodukt überträgt, beansprucht.
  • Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw. 14, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, insbesondere auch ein Rückbezug der anhängigen Anordnungsansprüche auf den unabhängigen Verfahrensanspruch, bewirken eine Verbesserung eines Schutzschaltgerätes, insbesondere eine Verbesserung der Sicherheit eines Schutzschaltgerätes, und stellen eine neues sicheres Konzept für ein Schutzschaltgerät bereit.
  • 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,
    • 2 eine zweite Darstellung eines Schutzschaltgerätes,
    • 3 eine dritte Darstellung eines Schutzschaltgerätes,
    • 4 eine Darstellung von Zuständen eines Schutzschaltgerätes,
    • 5 eine vierte Darstellung eines Schutzschaltgerätes.
  • 1 zeigt eine Darstellung eines Schutzschaltgerätes SG zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises mit einem Gehäuse GEH, aufweisend:
    • - Anschlüsse für Leiter des Niederspannungsstromkreises, insbesondere erste netzseitige Anschlüsse L1, N1 für eine netzseitigen, insbesondere energiequellenseitigen, Anschluss EQ des Schutzschaltgerätes SG und zweite lastseitige Anschlüsse L2, N2 für einen lastseitigen, insbesondere energiesenkenseitigen - im Falle passiver Lasten, Anschluss ES (verbraucherseitigen Anschluss) des Schutzschaltgerätes SG, wobei speziell phasenleiterseitige Anschlüsse L1, L2 und neutralleiterseitige Anschlüsse N1, N2 vorgesehen sein können; der lastseitige Anschluss L2, N2 kann eine passive Last (Verbraucher) oder/und eine aktive Last ((weitere) Energiequelle) aufweisen, bzw. eine Last, die sowohl passiv als auch aktiv sein kann, z.B. in zeitlicher Abfolge;
    • - eine (erste) Spannungssensoreinheit SU, zur Ermittlung der Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises, so dass insbesondere momentane (phasenwinkelbezogene) Spannungswerte DU vorliegen,
    • - eine Stromsensoreinheit SI, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises, derart das insbesondere momentane (phasenwinkelbezogene) Stromwerte DI vorliegen,
    • - eine, insbesondere durch eine mechanische Handhabe bedienbare und schaltbare, mechanische Trennkontakteinheit MK, so dass ein Öffnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis (durch die Handhabe) schaltbar ist, damit ist (insbesondere) eine galvanische Trennung im Niederspannungsstromkreis schaltbar; bei der mechanischen Trennkontakteinheit MK wird ein Öffnen von Kontakten auch als Freischalten und ein Schließen von Kontakten als Zuschalten bezeichnet;
    • - eine elektronische Unterbrechungseinheit EU, die stromkreisseitig in Serie zur mechanischen Trennkontakteinheit geschaltet ist und die durch halbleiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses und einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis aufweist; bei der elektronische Unterbrechungseinheit EU wird ein hochohmiger Zustand der Schaltelemente (zur Vermeidung eines Stromflusses) auch als ausgeschalteter Zustand (Vorgang: Ausschalten) und ein niederohmiger (leitender) Zustand der Schaltelemente (zum Stromfluss) als eingeschalter Zustand (Vorgang: Einschalten) bezeichnet;
    • - eine Steuerungseinheit SE, die mit der (ersten) Spannungssensoreinheit SU, der Stromsensoreinheit SI, der mechanischen Trennkontakteinheit MK und der elektronischen Unterbrechungseinheit EU verbunden ist, wobei bei Überschreitung von Stromgrenzwerten oder Strom-Zeitgrenzwerten (d.h. wenn ein Stromgrenzwert für eine bestimmte Zeitspanne überschritten wird) eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird, insbesondere um einen Kurzschlussstrom zu vermeiden.
  • Die netzseitigen Anschlüsse L1, N1 sind im Beispiel gemäß 1 einerseits mit der mechanische Trennkontakteinheit MK verbunden. Die mechanische Trennkontakteinheit MK ist andererseits mit der elektronischen Unterbrechungseinheit EU verbunden. Die elektronischen Unterbrechungseinheit EU ist andererseits mit den lastseitigen Anschlüssen L2, N2 verbunden. In einer alternativen Variante ist die mechanische Trennkontakteinheit MK mit den lastseitigen Anschlüssen L2, N2 verbunden und die elektronische Unterbrechungseinheit EU mit den netzseitigen Anschlüsse L1, N1 verbunden.
  • D.h. die mechanische Trennkontakteinheit MK ist in Serie mit der elektronischen Unterbrechungseinheit EU geschaltet, wobei die mechanische Trennkontakteinheit MK den lastseitigen Anschlüssen und die elektronischen Unterbrechungseinheit EU den netzseitigen Anschlüssen zugeordnet ist.
  • In dieser alternativen Variante ist ein Netzteil zur Energieversorgung dann vorteilhaft (direkt) mit den netzseitigen Anschlüssen verbunden, so dass es ständig mit Energie von den netzseitigen Anschlüssen und der dort üblicherweise vorhandenen Energiequelle EQ versorgt wird.
  • Bei dieser Variante kann z.B. / insbesondere die Überprüfungsfunktion schon vor dem Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit gestartet bzw. durchgeführt werden.
  • Die (erste) Spannungssensoreinheit SU und die Stromsensoreinheit SI sind zwischen mechanischer Trennkontakteinheit MK und elektronischer Unterbrechungseinheit EU angeordnet.
  • Eine zweite Spannungssensoreinheit (SU2) kann zwischen elektronischer Unterbrechungseinheit EU und den lastseitigen Anschlüssen L2, N2 angeordnet sein.
  • Das Schutzschaltgerät SG kann eine Energieversorgung mit einem Netzteil NT aufweisen (in 1 nicht eingezeichnet). Das Netzteil NT ist einerseits mit den Leitern des Niederspannungsstromkreises verbunden, bevorzugt mit den Leitern zwischen mechanischen Trennkontaktsystem MK und elektronischer Unterbrechungseinheit EU. Das Netzteil NT dient andererseits zur Energieversorgung der Steuerungseinheit SE oder/und der elektronischen Unterbrechungseinheit EU sowie gegebenenfalls des ersten (oder/und zweiten) Spannungssensors SU oder/und Stromsensors SI.
  • Das Schutzschaltgerät SG, insbesondere die Steuerungseinheit SE, kann einem Mikrocontroller (= Mikroprozessor) aufweisen, auf dem ein Computerprogrammprodukt läuft, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch den Mikrocontroller diesen veranlassen eine Überprüfungsfunktion (wie vorstehend und nachfolgend beschrieben) für ein Schutzschaltgerät durchzuführen.
  • Das Computerprogrammprodukt kann vorteilhaft auf einem computerlesbaren Speichermedium; wie ein USB-Stick, CD-ROM, etc.; gespeichert sein, um z.B. ein Upgrade auf eine erweiterte Version zu ermöglichen.
  • Das Computerprogrammprodukt kann alternativ auch vorteilhaft durch ein Datenträgersignal übertragen werden.
  • Die Steuerungseinheit SE kann:
    • * mit einer digitalen Schaltung, z.B. mit einem (weiteren) Mikroprozessor, realisiert sein; der (weitere) Mikroprozessor kann auch einen Analog-Teil enthalten;
    • * mit einer digitalen Schaltung mit analogen Schaltungsteilen realisiert sein.
  • Das Schutzschaltgerät SG, insbesondere die Steuerungseinheit SE, ist derart ausgestaltet, dass bei Überschreitung von Stromgrenzwerten oder Strom-Zeitgrenzwerten (d.h. wenn ein Stromgrenzwert für eine bestimmte Zeitspanne überschritten wird) eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird, insbesondere um einen Kurzschlussstrom zu vermeiden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die elektronische Unterbrechungseinheit EU vom niederohmigen Zustand in den hochohmigen Zustand wechselt. Die Initiierung der Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises erfolgt beispielsweise durch ein erstes Unterbrechungssignal TRIP, dass von der Steuerungseinheit SE an die elektronische Unterbrechungseinheit EU gesendet wird, wie in 1 eingezeichnet.
  • Die elektronische Unterbrechungseinheit EU ist gemäß 1 als Block in beiden Leitern eingezeichnet. Damit ist in einer ersten Variante keine Unterbrechung beider Leiter gemeint. Mindestens ein Leiter, insbesondere der aktive Leiter respektive Phasenleiter, weist halbleiterbasierte Schaltelemente auf. Der Neutralleiter kann schaltelementefrei sein, d.h. ohne halbleiterbasierte Schaltelemente. D.h. der Neutralleiter ist direkt verbunden, d.h. wird nicht hochohmig. D.h. es erfolgt nur eine einpolige Unterbrechung (des Phasenleiters). Sind weitere aktive Leiter / Phasenleiter vorgesehen, weisen in einer zweiten Variante der elektronischen Unterbrechungseinheit EU die Phasenleiter halbleiterbasierten Schaltelemente auf. Der Neutralleiter ist direkt verbunden, d.h. wird nicht hochohmig. Beispielsweise für einen Dreiphasen-Wechselstromkreis.
  • In einer dritten Variante der elektronischen Unterbrechungseinheit EU kann der Neutralleiter ebenfalls ein halbleiterbasiertes Schaltelement aufweisen, d.h. bei einer Unterbrechung der elektronischen Unterbrechungseinheit EU werden beide Leiter hochohmig.
  • Die elektronische Unterbrechungseinheit EU kann Halbleiterbauelemente wie Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren (FET), Isolated Gate Bipolartransistoren (IGBT), Metall Oxid Schicht Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder andere (selbstgeführte) Leistungshalbleiter aufweisen. Insbesondere IGBT's und MOSFET's eignen sich auf Grund geringer Durchflusswiderstände, hoher Sperrschichtwiderstände und eines guten Schaltverhaltens besonderes gut für das erfindungsgemäße Schutzschaltgerät.
  • Die mechanische Trennkontakteinheit MK kann in einer ersten Variante einpolig unterbrechen. D.h. es wird nur ein Leiter der beiden Leiter, insbesondere der aktive Leiter respektive Phasenleiter unterbrochen, d.h. weist einen mechanischen Kontakt auf. Der Neutralleiter ist dann kontaktfrei, d.h. der Neutralleiter ist direkt verbunden.
  • Sind weitere aktive Leiter / Phasenleiter vorgesehen, weisen in einer zweiten Variante die Phasenleiter mechanische Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems auf. Der Neutralleiter ist in dieser zweiten Variante direkt verbunden. Beispielsweise für einen Dreiphasen-Wechselstromkreis.
  • In einer dritten Variante des mechanischen Trennkontaktsystem MK weist der Neutralleiter ebenfalls mechanische Kontakte auf, wie in 1 eingezeichnet.
  • Mit mechanischer Trennkontakteinheit MK ist insbesondere eine (normgerechte) Trennfunktion gemeint, realisiert durch die Trennkontakteinheit MK. Mit Trennfunktion sind die Punkte:
    • -Mindestluftstrecke nach Norm (Mindestabstand der Kontakte),
    • -Kontaktstellungsanzeige der Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystem,
    • -Betätigung des mechanischen Trennkontaktsystem immer möglich (keine Blockierung des Trennkontaktsystems), gemeint.
  • Hinsichtlich der Mindestluftstrecke zwischen den Kontakten des Trennkontaktsystem ist diese im Wesentlichen spannungsabhängig. Weitere Parameter sind der Verschmutzungsgrad, die Art des Feldes (homogen, inhomogen), und der Luftdruck bzw. die Höhe über Normalnull.
  • Für diese Mindestluftstrecken bzw. Kriechstrecken gibt es entsprechende Vorschriften bzw. Normen. Diese Vorschriften geben beispielsweise bei Luft für eine Stoßspannungsfestigkeit die Mindestluftstrecke für ein inhomogenes und ein homogenes (ideales) elektrisches Feld in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad an. Die Stoßspannungsfestigkeit ist die Festigkeit beim Anlegen einer entsprechenden Stoßspannung. Nur bei Vorliegen dieser Mindestlänge (Mindeststrecke) weist das Trennkontaktsystem bzw. Schutzschaltgerät eine Trennfunktion (Trennereigenschaft) auf.
  • Im Sinne der Erfindung sind hierbei für die Trennerfunktion und deren Eigenschaften die Normenreihe DIN EN 60947 bzw. IEC 60947 einschlägig, auf die hier durch Referenz Bezug genommen wird.
  • Das Trennkontaktsystem ist vorteilhafterweise durch eine Mindestluftstrecke der geöffneten Trennkontakte in der AUS-Stellung (Geöffnet Stellung, geöffnete Kontakte) in Abhängigkeit von der Bemessungsstoßspannungsfestigkeit und dem Verschmutzungsgrad gekennzeichnet. Die Mindestluftstrecke beträgt insbesondere zwischen (im Minimum) 0,01 mm und 14 mm. Insbesondere beträgt vorteilhafterweise die Mindestluftstrecke zwischen 0,01 mm bei 0,33 kV und 14 mm bei 12 kV, insbesondere für Verschmutzungsgrad 1 sowie insbesondere für inhomogene Felder.
  • Vorteilhafterweise kann die Mindestluftstrecke die folgenden Werte aufweisen:
    • E DIN EN 60947-1 (VDE 0660-100):2018-06
    Tabelle 13 - Mindestluftstrecken
    Bemessungsstoßspannungsfestigkeit Mindentluftstrecken mm
    Uimp Fall A Fall B
    inhomogenes Feld homogenes Feld, Ideale Bedingungen
    kV (siehe 3.7.63) (siehe 3.7.62)
    Verschmutzungsgrad Verschmutzungsgrad
    1 2 3 4 1 2 3 4
    0,33 0,01 0,2 0,8 1,6 0,01 0,2 0,8 1,6
    0,5 0,04 0,04
    0.8 0,1 0,1
    1,5 0,5 0,5 0,3 0,3
    2,5 1,5 1,5 1,5 0,6 0,6
    4,0 3 3 3 3 1.2 1,2 1,2
    6,0 5,5 5,5 5,5 5,5 2 2 2 2
    8,0 8 8 8 8 3 3 3 3
    12 14 14 14 14 4,5 4,5 4,5 4,5
    ANMERKUNG Die angegebenen kleinsten Luftstrecken beruhen auf der 1,2/50-ps-Stoßspannung bei einem Luftdruck von 80 kPa, was dem Luftdruck bei 2 000 m über NN entspricht.
  • Die Verschmutzungsgrade und Feldarten entsprechen den in den Normen definierten. Dadurch lässt vorteilhafterweise ein entsprechend der Bemessungsstoßspannungsfestigkeit dimensioniertes normgerechtes Schutzschaltgerät erzielen.
  • Die mechanische Trennkontakteinheit MK kann alternativ oder zusätzlich durch die Steuerungseinheit SE angesteuert werden, um bei Überschreitung von Stromgrenzwerten oder Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises zu initiieren. Speziell wird hierbei ggfs. eine galvanische Trennung herbeiführt. Die Initiierung der Vermeidung eines Stromflusses bzw. eine ggfs. galvanischen Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises erfolgt beispielsweise durch ein zweites Unterbrechungssignal TRIPG, dass von der Steuerungseinheit SE zum mechanisches Trennkontaktsystem MK gesendet wird, wie in 1 eingezeichnet.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann bei einer ermittelten Stromhöhe, die den zweiten Stromschwellwert überschreitet, eine Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises initiiert werden, insbesondere durch die mechanische Trennkontakteinheit MK.
    Der zweite Stromschwellwert entspricht beispielsweise den normgemäßen Strom-(Zeit-)Grenzwerten, d.h. den I-(t-)Kennlinien für Schutzgeräte, beispielsweise gemäß Norm IEC 60947 oder IEC 60898. Die gewählten Strom-(Zeit-)Grenzwerte wählt der Fachmann gemäß der vorliegenden Anwendung / Applikation.
  • Analog kann der dritte Stromschwellwert beispielsweise gemäß normgemäßen Strom-Zeit-Grenzwerten gewählt werden, d.h. den I-t-Kennlinien für Schutzgeräte, beispielsweise gemäß Norm IEC 60947 oder IEC 60898. Die gewählten Strom-Zeit-Grenzwerte wählt der Fachmann gemäß der vorliegenden Anwendung / Applikation.
  • Das Schutzschaltgerät SG ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass die elektronische Unterbrechungseinheit EU im freigeschalteten Zustand, d.h. wenn die Kontakte der mechanische Trennkontakteinheit MK geöffnet sind, hochohmig ist. Bedient ein Benutzer des Schutzschaltgerätes SG die mechanische Handhabe für einen Einschaltvorgang, um die Kontakte zu schließen, wird, insbesondere nach Schließen der Kontakte (d.h. Zuschalten), eine Überprüfungsfunktion ausgeführt. Liefert die Überprüfungsfunktion ein positives Ergebnis, wird die elektronische Unterbrechungseinheit EU niederohmig. Andernfalls nicht. D.h. die elektronische Unterbrechungseinheit EU wird erst dann niederohmig, wenn die Überprüfungsfunktion einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zulässt.
  • 2 zeigt eine Darstellung eines Schutzschaltgerätes SG gemäß 1, mit dem Unterschied, dass:
    • die elektronische Unterbrechungseinheit EU als einpolig unterbrechende Einheit ausgestaltet ist,
    • die mechanische Trennkontakteinheit MK als zweipolig unterbrechende Einheit ausgestaltet ist (galvanisch unterbrechend),
    • ein Netzteil NT vorgesehen ist, dass zwischen mechanischer Trennkontakteinheit MK und elektronischer Unterbrechungseinheit EU angeschlossen ist,
    • das Netzteil NT die Steuerungseinheit SE mit Energie versorgt (durch einen Pfeil angedeutet).
  • 3 zeigt eine mögliche äußere Darstellung eines Schutzschaltgerätes SG gemäß 1 oder 2. 3 zeigt ein hutschienenmontierbares Schutzschaltgerät SG mit einer Breite von z.B. 1 TE, 1,5 TE bzw. 2 TE mit zweipoligen Anschlüssen (L, N).
  • In der Elektroinstallation und im Schaltschrankbau wird die Breite von Einbaugeräten wie Schutzschaltgeräten, Leitungsschutzschaltern, Fehlerstrom-Schutzschaltern usw. in Teilungseinheiten, kurz TE, angegeben. Die Breite einer Teilungseinheit beträgt ~18 mm. Die Einbaubreite der Geräte soll nach der Norm DIN 43880: 1988-12 zwischen 17,5 und 18,0 mm liegen, oder sich aus der Multiplikation dieser Abmessung mit 0,5 oder einem ganzzahligen Vielfachen davon errechnen, also: k x 0,5 x 18 mm oder k x 0,5 x 17,5 mm (mit k = 1, 2, 3, ...). So hat zum Beispiel ein einpoliger Leitungsschutzschalter eine Breite von 1 TE. Die Einbauten von Elektroinstallationsverteilern sind nach DIN 43871 „Installationskleinverteiler für Einbaugeräte bis 63 A“ auf die Teilungseinheiten abgestimmt, z. B. die Breite von Tragschienen/Hutschienen.
  • 3 zeigt das Schutzschaltgerät SG mit einer Handhabe HH für die mechanische Trennkontakteinheit MK. Die Handhabe HH der mechanischen Trennkontakteinheit MK ist durch einen Benutzer bedienbar, d.h. es kann ein Zuschalten und Freischalten erfolgen. Das Schutzschaltgerät SG gemäß 3 weist eine Anzeigeeinheit AE auf, zur Informationsanzeige am Schutzschaltgerät SG. Im Beispiel gemäß 3 ist die Anzeigeeinheit AE in der Handhabe HH integriert.
  • Die Handhabe HH kann hierbei vorteilhaft als Kontaktstellungsanzeige dienen (insbesondere ein Teil der Anzeigeeinheit AE sein).
  • Die Anzeigeeinheit AE weist z.B. (mindestens) eine Leuchtdiode/Lichtemitterdiode auf, beispielsweise eine zweifarbige Lichtemitterdiode, die z.B. gelb blinken oder rot leuchten kann. Im Beispiel gemäß 3 ist die Leuchtdiode je nach Stellung der Handhabe teilweise verdeckt.
  • In 3 sind vier Zustände Z1, Z2, Z3, Z4 des Schutzschaltgerätes SG dargestellt.
  • Im ersten Zustand Z1 ist das Schutzschaltgerät SG freigeschaltet und ausgeschaltet, d.h. die mechanische Trennkontakteinheit MK ist geöffnet und die elektronische Unterbrechungseinheit EU ist hochohmig. Die Anzeigeeinheit AE zeigt beispielsweise einen grünen Zustand an, beispielsweise durch eine farbliche Kennzeichnung, im Beispiel an bzw. im Bereich der Handhabe HH.
  • In einem zweiten Zustand Z2 ist das Schutzschaltgerät SG zugeschaltet und ausgeschaltet, d.h. die mechanische Trennkontakteinheit MK ist geschlossen und die elektronische Unterbrechungseinheit EU ist hochohmig. Allerdings weist das Schutzschaltgerät SG keine Energieversorgung auf, weil beispielsweise der elektrischen Niederspannungsstromkreises spannungslos ist. Die Anzeigeeinheit AE zeigt beispielsweise einen gelben Zustand an, beispielsweise durch eine farbliche Kennzeichnung, im Beispiel an bzw. im Bereich der Handhabe HH.
  • In einem dritten Zustand Z3 ist das Schutzschaltgerät SG zugeschaltet aber noch ausgeschaltet, d.h. die mechanische Trennkontakteinheit MK ist geschlossen und die elektronische Unterbrechungseinheit EU ist hochohmig. Das Schutzschaltgerät SG ist (Normalfall) mit Energie versorgt. Allerdings ist das Schutzschaltgerät SG noch nicht eingeschaltet, d.h. Strom im elektrischen Niederspannungsstromkreises kann noch nicht fließen. In diesem Zustand führt das Schutzschaltgerät SG beispielsweise seine Überprüfungsfunktion aus. Die Anzeigeeinheit AE zeigt beispielsweise einen blinkenden gelben Zustand an, beispielsweise durch eine blinkende Leuchtdiode, im Beispiel an bzw. im Bereich der Handhabe HH, wie in 3 angedeutet.
  • In einem vierten Zustand Z4 ist das Schutzschaltgerät SG zugeschaltet und eingeschaltet, d.h. die mechanische Trennkontakteinheit MK ist geschlossen und die elektronische Unterbrechungseinheit EU ist niederohmig. (Das Schutzschaltgerät SG ist (Normalfall) mit Energie versorgt.) Ein Strom im elektrischen Niederspannungsstromkreises kann fließen. In diesem Zustand hat das Schutzschaltgerät SG beispielsweise seine Überprüfungsfunktion positiv beendet. Die Anzeigeeinheit AE zeigt beispielsweise einen roten Zustand an, beispielsweise durch eine rot leuchtende Leuchtdiode/Lichtemitterdiode, im Beispiel an bzw. im Bereich der Handhabe HH, wie in 3 angedeutet.
  • 4 zeigt eine Darstellung der Zustände Z1, Z2, Z3, Z4 des Schutzschaltgerätes SG. Hierbei sind der zweite und dritte Zustand Z2, Z3 zu einem Modus Control zusammengefasst. D.h. das Schutzschaltgerätes SG weist im Wesentlichen drei Modi auf. Ein erster Modus OFF, bei dem die mechanische Trennkontakteinheit MK geöffnet und die elektronische Unterbrechungseinheit EU hochohmig ist; ein zweiter Modus CONTROL, bei dem die mechanische Trennkontakteinheit MK geschlossen und die elektronische Unterbrechungseinheit EU hochohmig ist; ein dritter Modus ON, bei dem die mechanische Trennkontakteinheit MK geschlossen und die elektronische Unterbrechungseinheit EU niederohmig ist.
  • Ein Wechsel vom ersten Modus OFF zum zweiten Modus CONTROL ist nur manuell durch einen Benutzer durch eine Betätigung BT der Handhabe möglich. Ein Wechsel vom zweiten Modus CONTROL zurück zum ersten Modus OFF ist manuell durch einen Benutzer durch eine Betätigung BT der Handhabe und optional durch die Steuerungseinheit SE möglich.
  • Ein Wechsel vom zweiten Modus CONTROL zum dritten Modus ON und zurück ist nur „automatisch“ durch das Schutzschaltgerätes SG selbst möglich, durch einen automatischen Einschaltvorgang AE (bzw. automatischen Ausschaltvorgang - beispielsweise bei Erfüllung einer Kurzschlussbedingung) . Insbesondere ein Wechsel vom zweiten Modus CONTROL zum dritten Modus ON kann von einem Benutzer nicht erzwungen werden.
  • Die Überprüfungsfunktion weist einen Selbsttest der Funktionsfähigkeit des Schutzschaltgerätes auf. Bei diesem Selbsttest wird mindestens eine Komponente, insbesondere mehrere Komponenten, einer Einheit, insbesondere mehrerer Einheiten, des Schutzschaltgerätes SG überprüft. Bei Funktionsfähigkeit der geprüften Komponenten bzw. Einheiten wird der niederohmige Zustand zugelassen. Andernfalls kann vorteilhaft ein Freischalten erfolgen, d.h. die Kontakte geöffnet werden (insbesondere eine galvanische Trennung herbeigeführt werden) .
  • Ein Selbsttest der Funktionsfähigkeit mindestens einer Komponente einer Einheit des Schutzschaltgerätes kann darin bestehen, dass von der Komponente der Einheit bzw. der Einheit, beispielsweise der Spannungssensoreinheit oder Stromsensoreinheit, an die Steuerungseinheit gelieferte Werte, beispielsweise Werte der ermittelten Höhe der Spannung oder des Stromes, definierte Grenzwerte (obere oder/und untere Grenzwerte) nicht überschreiten.
  • Ein weiterer Selbsttest kann darin bestehen, dass die elektronische Unterbrechungseinheit kurzzeitig eingeschaltet wird, d.h. das halbleiterbasierte Schaltelement kurzzeitig niederohmig geschaltet wird. Mit kurzzeitig ist hierbei eine bestimmte Zeitspanne gemeint, bei der momentane Spannungswert u(t) der Wechselspannung einen bestimmten Wert, beispielsweise von 50 Volt, nicht überschreitet. So kann beispielsweise zum Nulldurchgang der Wechselspannung (0°) für ca. 444 ps / bis 8° die Wechselspannung zugeschaltet werden (elektronische Unterbrechungseinheit EU niederohmig), d.h. bis der momentane Spannungswert maximal 50 Volt erreicht wird. Alternativ kann auch bei ca. -8° (bezogen auf den Nulldurchgang der Wechselspannung) eingeschaltet werden, der Nulldurchgang durchlaufen werden und bei +8° wieder ausgeschaltet werden, also für ca. 888 ps. D.h. die Einschalt-Zeitspanne ist kleiner als eine 1 ms, insbesondere kleiner als 0,9 ms, spezieller etwa 0,8 ms (oder jeweils die Hälfte, jeweils abhängig vom Einschaltzeitpunkt).
  • Durch dieses kurzzeitige Einschalten können verschieden Einheiten bzw. deren Komponenten geprüft werden:
    • - die elektronische Unterbrechungseinheit EU,
    • - die Stromsensoreinheit SI,
    • - die Spannungssensoreinheit SU.
  • Für eine weitere Prüfung kann eine zweite Spannungssensoreinheit SU2 vorgesehen sein, die zwischen elektronischer Unterbrechungseinheit EU und lastseitigen Anschluss vorgesehen ist, d.h. am lastseitigen Anschluss, wie in 5 eingezeichnet. 5 zeigt eine Darstellung eines Schutzschaltgerätes SG gemäß 2, mit dem Unterschied, dass eine entsprechende zweite Spannungssensoreinheit SU2 vorgesehen ist.
  • Weiterhin ist in 5 eine (nicht näher dargestellte) Freigabeeinheit/Freigabefunktion vorgesehen, die eine Freigabe der Betätigung der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit durch die Handhabe HH bewirkt. D.h. wenn ein Freigabesignal Enable vorliegt, das im Beispiel gemäß 5 von der Steuerungseinheit an die Trennkontakteinheit gesendet wird, ist erst ein Schließen der Kontakte KKL, KKN durch die Handhabe möglich. Andernfalls ist ein Schließen nicht möglich (Dauerrutsche der Handhabe HH). Die Kontakte bleiben in der geöffneten Stellung / Schaltzustand. Diese Freigabeeinheit/- funktion ist je nach Architektur des Schutzschaltgerätes zweckmäßig, insbesondere wenn die elektronische Unterbrechungseinheit mit dem netzseitigen Anschluss verbunden ist bzw. die Steuerungseinheit auch im geöffneten Zustand der Kontakte mit Energie versorgt wird.
  • Ferner ist in 5 das Schutzschaltgerät, im Beispiel die mechanische Trennkontakteinheit, derart ausgestaltet, dass eine Positionsinformation der Kontakte (geöffnet/geschlossen) ermittelt wird und an die Steuerungseinheit SE übermittelt wird, beispielsweise durch ein Positionssignal POSI. Die Positionsinformation kann beispielsweise durch einen ersten Positionssensor ermittelt werden, der insbesondere in oder an der mechanischen Trennkontakteinheit vorgesehen ist, der mit der Steuerungseinheit verbunden ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann eine Handhabeinformation der Stellung der Handhabe (geöffnet/geschlossen) ermittelt werden und an die Steuerungseinheit SE übermittelt werden (durch Handhabepositionssignal (nicht eingezeichnet)). Die Handhabeinformation kann beispielsweise durch einen zweiten Positionssensor ermittelt werden, der mit der Steuerungseinheit verbunden ist.
  • D.h. das Schutzschaltgerät ist vorteilhaft derart ausgestaltet, dass eine Positionsinformation der Kontakte (geöffnet/geschlossen) ermittelt wird und an die Steuerungseinheit SE übermittelt wird. Die Positionsinformation kann beispielsweise durch einen ersten Positionssensor ermittelt werden, der mit der Steuerungseinheit verbunden ist.
  • D.h. Das Schutzschaltgerät ist vorteilhaft derart ausgestaltet, dass eine Handhabeinformation der Stellung der Handhabe (geöffnet/geschlossen) ermittelt wird und an die Steuerungseinheit SE übermittelt wird. Die Handhabeinformation kann beispielsweise durch einen zweiten Positionssensor ermittelt werden, der mit der Steuerungseinheit verbunden ist.
  • Liegt beim kurzzeitigen Einschalten am lastseitigen Anschluss die gleiche Spannungshöhe wie am netzseitigen Anschluss vor, ist beispielsweise die elektronische Unterbrechungseinheit bzw. des halbleiterbasierten Schaltelementes funktionsfähig (sofern kein Kurzschluss am lastseitigen Anschluss vorliegt). Zusätzlich kann eine parallele Auswertung der Höhe des Stromes erfolgen.
  • Aus den ermittelten Strom- und Spannungswerten kann auf eine Funktionsfähigkeit der Einheiten geschlossen werden.
  • Der Selbsttest des Gerätes kann ferner eine Temperaturmessung aufweisen, beispielsweise des Mikroprozessors oder der halbleiterbasierten Schaltelemente. Durch eine Temperaturüberwachung am Mikroprozessor ist beispielsweise eine Überprüfung der Steuerungseinheit möglich.
  • Neben dem Selbsttest des Gerätes kann die Überprüfungsfunktion ferner einen Test des Niederspannungsstromkreises, spezieller des lastseitigen oder netzseitigen Anschlusses, aufweisen. Beispielsweise kann eine Überprüfung mindestens eines, insbesondere mehrerer oder aller, der nachfolgenden Parameter durchgeführt werden:
    • - Überprüfung auf Überschreitung eines ersten Überspannungswertes oder/und höheren zweiten Überspannungswertes oder/und höheren dritten Überspannungswertes, insbesondere am bzw. im Bereich des netzseitigen Anschlusses,
    • - Überprüfung auf Unterschreitung eines ersten Unterspannungswertes, insbesondere am bzw. im Bereich des netzseitigen Anschlusses,
    • - Überprüfung auf Parameter des lastseitigen Anschlusses, insbesondere auf Unterschreitung eines lastseitigen ersten oder/und zweiten Widerstandeswertes oder lastseitigen ersten oder/und zweiten Impedanzwertes.
  • Die Überprüfung auf Überspannungs- und Unterspannungswerte kann durch konkrete Messungen durch die Spannungssensoreinheit erfolgen. Die Grenzwerte können wie bereits dargestellt festgelegt werden.
  • Die Überprüfung auf Parameter des lastseitigen Anschlusses, insbesondere auf Unterschreitung eines lastseitigen ersten oder/und zweiten Widerstandeswertes oder lastseitigen ersten oder/und zweiten Impedanzwertes, können beispielsweise ebenfalls durch kurzzeitiges Einschalten der elektronischen Unterbrechungseinheit und Messungen durch die Spannungs- und Stromsensoreinheit durchgeführt werden. Die ermittelten Werte werden mit den festgelegten ersten bzw. zweiten Widerstands- bzw. Impedanzwerten verglichen.
  • Abhängig von der Implementierung der zu prüfenden Parameter, d.h. der vorhergehenden Implementierung, kann:
    • bei Überschreitung des ersten Überspannungswertes eine Überspannungsinformation abgegeben (Spannung zu hoch),
    • bei Überschreitung des zweiten Überspannungswertes erfolgt ein hochohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit (Spannungshöhe kritisch),
    • bei Überschreitung des dritten Überspannungswertes erfolgt ein Öffnen der Kontakte (Freischalten) durch die mechanische Trennkontakteinheit (Spannungshöhe gefährlich (für den weiteren Betrieb des Gerätes)),
    • bei Unterschreitung des ersten Unterspannungswertes wird eine Unterspannungsinformation abgegeben (Gerät arbeits- und schutzfähig, aber „Spannung im Netz zu niedrig“), bei Unterschreitung eines dritten Unterspannungswertes bleibt die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig (Spannung zu gering, Gerät nicht mehr schutzfähig), insbesondere sofern die Spannungshöhe größer als ein zweiter Unterspannungswert ist (sonst kann keine Anzeige bzw. Aktion erfolgen, da die Spannung zu gering ist),
    • bei Überschreitung des ersten Temperaturgrenzwertes wird eine Temperaturinformation abgegeben (erhöhte Temperatur),
    • bei Überschreitung des zweiten Temperaturgrenzwertes erfolgt ein hochohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit (kritische Temperatur),
    • bei Überschreitung des dritten Temperaturgrenzwertes erfolgt ein Öffnen der Kontakte (Freischaltung) (Temperatur zu hoch (für sicheren Betrieb des Gerätes)),
    • bei Unterschreitung des lastseitigen ersten Widerstandeswertes oder lastseitigen ersten Impedanzwertes wird eine Impedanzinformation abgegeben (niederohmiger Verbraucher - Überlast?), oder
    • bei Unterschreitung des lastseitigen zweiten Widerstandeswertes oder lastseitigen zweiten Impedanzwertes bleibt die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig (Kurzschluss auf Lastseite).
  • So können abgestuft definierte Maßnahmen - Warnung - hochohmig bleiben - galvanische Trennung - durchgeführt werden, abhängig vom Über- bzw. Unterschreiten bestimmter definierter Paramater, was die Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erhöht. Vorteilhaft wird die Prüfung, bei geschlossenen Kontakten / Zuschaltung kontinuierlich durchgeführt. Liegen die Parameter im vorgesehenen Bereich, d.h. keine Über- oder Unterschreitungen, kann ein einschalten erfolgen (niederohmige Schaltelemente).
  • Mit hochohmig ist ein Zustand gemeint, bei dem nur noch ein Strom vernachlässigbarer Größe fließt. Insbesondere sind mit hochohmig Widerstandswerte von größer als 1 Kiloohm, besser größer als 10 Kiloohm, 100 Kiloohm, 1 Megaohm, 10 Megaohm, 100 Megaohm, 1 Gigaohm oder größer gemeint.
  • Mit niederohmig ist ein Zustand gemeint, bei dem der angegebene Stromwert fließen kann. Insbesondere sind mit niederohmig Widerstandswerte gemeint, die kleiner als 10 Ohm, besser kleiner als 1 Ohm, 100 Milliohm, 10 Milliohm, 1 Milliohm, 100 Mikroohm oder kleiner sind.
  • 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 (17)

  1. Schutzschaltgerät (SG) zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis aufweisend: - ein Gehäuse mit netzseitigen und lastseitigen Anschlüssen (L1, N1, L2, N2) für Leiter des Niederspannungsstromkreises, - eine Spannungssensoreinheit (SU), zur Ermittlung der Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises, - eine Stromsensoreinheit (SI), zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises, - eine durch eine mechanische Handhabe bedienbare mechanische Trennkontakteinheit (MK), so dass ein Öffnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist, - eine elektronische Unterbrechungseinheit (EU), die stromkreisseitig in Serie zur mechanischen Trennkontakteinheit (MK) geschaltet ist und die durch halbleiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses und einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis aufweist, - einer Steuerungseinheit (SE), die mit der Spannungssensoreinheit (SU), der Stromsensoreinheit (SI), der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) verbunden ist, wobei bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät (SG) derart ausgestaltet ist, dass ein Benutzer des Schutzschaltgerätes die mechanische Handhabe bedient, um die Kontakte zu schließen, wobei die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig ist, dass nach dem Schließen der Kontakte die elektronische Unterbrechungseinheit erst dann niederohmig wird, wenn eine Überprüfungsfunktion einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zulässt.
  2. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeigeeinheit zur Informationsanzeige am Schutzschaltgerät vorgesehen ist, die mit der Steuerungseinheit (SE) verbunden ist, dass die Informationsanzeige insbesondere den Zustand der Schaltelemente der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) oder/und insbesondere die Stellung der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) anzeigt.
  3. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfungsfunktion einen Selbsttest der Funktionsfähigkeit des Schutzschaltgerätes aufweist, bei dem mindestens eine Komponente, insbesondere mehrere Komponenten, einer Einheit, insbesondere mehrerer Einheiten, des Schutzschaltgerätes überprüft wird, und bei Funktionsfähigkeit der mindestens einen Komponente, insbesondere mehrerer Komponenten, einer Einheit, insbesondere mehrerer Einheiten, der niederohmige Zustand zugelassen wird.
  4. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei fehlender Funktionsfähigkeit die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) geöffnet werden.
  5. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) hinsichtlich Funktionsfähigkeit dahingehend überprüft wird, dass das halbleiterbasierte Schaltelement funktionsfähig ist.
  6. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungssensoreinheit (SU) hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit zur Ermittlung der Höhe der Spannung geprüft wird oder/und dass die Stromsensoreinheit (SI) hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit zur Ermittlung der Höhe des Stromes geprüft wird.
  7. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfungsfunktion eine Überprüfung mindestens eines, insbesondere mehrerer oder aller, der nachfolgenden Parameter durchführt: - Überprüfung auf Überschreitung eines ersten Überspannungswertes oder/und zweiten Überspannungswertes oder/und dritten Überspannungswertes, - Überprüfung auf Unterschreitung eines ersten Unterspannungswertes, - Überprüfung auf Überschreitung eines ersten Temperaturgrenzwertes oder/und zweiten Temperaturgrenzwertes oder/und dritten Temperaturgrenzwertes, - Überprüfung auf Parameter des lastseitigen Anschlusses, insbesondere auf Unterschreitung eines lastseitigen ersten oder/und zweiten Widerstandeswertes oder lastseitigen ersten oder/und zweiten Impedanzwertes.
  8. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung des ersten Überspannungswertes eine Überspannungsinformation abgegeben wird, dass bei Überschreitung des zweiten Überspannungswertes ein hochohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit erfolgt, dass bei Überschreitung des dritten Überspannungswertes ein Öffnen der Kontakte erfolgt, dass bei Unterschreitung des ersten Unterspannungswertes eine Unterspannungsinformation abgegeben wird oder/und die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig bleibt, insbesondere sofern die Spannungshöhe größer als ein zweiter Unterspannungswert ist, dass bei Überschreitung des ersten Temperaturgrenzwertes eine Temperaturinformation abgegeben wird, dass bei Überschreitung des zweiten Temperaturgrenzwertes ein hochohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit erfolgt, dass bei Überschreitung des dritten Temperaturgrenzwertes ein Öffnen der Kontakte erfolgt, dass bei Unterschreitung des lastseitigen ersten Widerstandeswertes oder lastseitigen ersten Impedanzwertes eine Impedanzinformation abgegeben wird, dass bei Unterschreitung des lastseitigen zweiten Widerstandeswertes oder lastseitigen zweiten Impedanzwertes die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig bleibt.
  9. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfungsfunktion die Überprüfung mindestens eines, insbesondere mehrerer oder aller, der Parameter kontinuierlich durchführt, insbesondere dass bei nicht mehr vorliegender Über- bzw. Unterschreitung des jeweiligen Parameters ein niederohmiger Zustand der Schaltelemente zugelassen wird, insbesondere sofern kein Öffnen der Kontakte erfolgte.
  10. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zugeschalteter Trennkontakteinheit und niederohmiger Unterbrechungseinheit und - bei einem ermittelten Strom, der einen ersten Stromschwellwert überschreitet, insbesondere dass der erste Stromschwellwert für eine erste Zeitspanne überschritten wird, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit (MK) geschlossen bleibt, - bei einem ermittelten Strom, der einen zweiten Stromschwellwert, insbesondere für eine zweite Zeitspanne, überschreitet, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit (MK) geöffnet wird, - bei einem ermittelten Strom, der einen dritten Stromschwellwert überschreitet, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit (MK) geöffnet wird.
  11. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät (SG) derart ausgestaltet ist, dass die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit durch die Steuerungseinheit (SE) geöffnet, aber nicht geschlossen werden können.
  12. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzstromsensor vorgesehen ist, zur Ermittlung von Differenzströmen im Niederspannungsstromkreis.
  13. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät (SG) derart ausgestaltet ist, dass eine Positionsinformation der Kontakte ermittelt wird, insbesondere durch einen, insbesondere mit der Steuerungseinheit (SE) verbundenen, Positionssensor, und an die Steuerungseinheit (SE) übermittelt wird.
  14. Verfahren für ein Schutzschaltgerät (SG) zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis mit: - einer Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises, - eine durch eine mechanische Handhabe bedienbare mechanische Trennkontakteinheit, so dass ein Öffnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis geschaltet werden kann, - eine elektronische Unterbrechungseinheit, die stromkreisseitig in Serie zur mechanischen Trennkontakteinheit geschaltet ist und die durch halbleiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses und einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis aufweist, - dass die ermittelte Höhe des Stromes mit Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten verglichen wird und bei dessen Überschreitung eine Vermeidung des Stromflusses im Niederspannungsstromkreises initiiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Benutzer des Schutzschaltgerätes die mechanische Handhabe bedient um die Kontakte zu schließen, wobei die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig ist, dass nach dem Schließen der Kontakte die elektronische Unterbrechungseinheit erst dann niederohmig wird, wenn eine Überprüfungsfunktion einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zulässt.
  15. Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Mikrocontroller diesen veranlassen eine Überprüfungsfunktion für ein Schutzschaltgerät nach einem der Patentansprüche 1 bis 14 durchzuführen.
  16. Computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Patentanspruch 15 gespeichert ist.
  17. Datenträgersignal, das das Computerprogrammprodukt nach Patentanspruch 15 überträgt.
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