DE102022201963B3

DE102022201963B3 - Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Schutzschalters, elektronischer Schutzschalter sowie elektrische Anlage mit einem elektronischen Schutzschalter

Info

Publication number: DE102022201963B3
Application number: DE102022201963.6A
Authority: DE
Inventors: Marvin Tannhäuser; Fabian Döbler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2042-02-26
Also published as: WO2023160965A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines einen elektrischen Stromkreis (200) schützenden Schutzschalters (100). Der Schutzschalter (100) weist dabei mechanisches Schaltelement (110) und ein dazu in Reihe geschaltetes elektronisches Schaltelement (120) auf. In einem Verfahrensschritt wird der Stromkreis (200) mittels des elektronischen Schaltelements (120) nach einem Abschalten des Stromkreises durch das elektronische Schaltelement (120) aufgrund eines vom Schutzschalter (100) detektierten Kurzschlusses im geschützten Stromkreis (200) erneut eingeschaltet. Sodann werden zumindest zwei zeitlich beabstandete Strommesswerte (i1, i2) für den durch den Schutzschalter (100) fließenden Strom (i) sowie zumindest zwei zeitlich beabstandete Spannungswerte (u31, u32) an lastseitigen Klemmen (103, 104) des elektronischen Schutzschalters (100) ermittelt. Der Stromkreis (200) wird durch das elektronische Schaltelement (120) bei Eintreten eines oder mehrerer Kriterien wieder abgeschaltet. Schließlich wird eine Leitungsimpedanz (L) der Leitung zwischen Schutzschalter (100) und Kurzschlussstelle (K) aus den Spannungswerten (u31, u32) und den Strommesswerten (i1, i2) sowie deren zeitlichen Abstand (Δt) berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Schutzschalters, einen elektronischen Schutzschalter sowie elektrische Anlage mit einem elektronischen Schutzschalter.
Moderne Halbleiter-Leitungsschutzschalter (englisch: Semiconductor Circuit Breaker, kurz SCCB, mitunter auch Solid State Circuit Breaker, kurz SSCB; im Folgenden wird die Abkürzung SCCB verwendet) sind in der Lage, elektrische Stromkreise im Kurzschlussfall sehr viel schneller abzuschalten als herkömmliche Leitungsschutzschalter (englisch: Miniature Circuit Breaker, kurz MCB). Das führt vorteilhafterweise dazu, dass am elektrischen Stromkreis und insbesondere an der Kurzschlussstelle keine weiteren, über die den Kurzschluss auslösende Beschädigung hinausgehenden Schäden auftreten. Insbesondere werden die Kurzschlussströme rasch und auf einen viel geringeren Wert begrenzt, wodurch der Kurzschlussstelle weniger Energie zugeführt wird.
Entsprechend kommt es in von SCCB geschützten Stromkreisen meist nicht zu den typischen, durch die Umwandlung der Kurzschlussenergie in thermische Energie hervorgerufenen Kurzschlussmerkmalen wie Rauch- oder Geruchsentwicklung, Verfärbungen oder anderen sichtbaren Schäden, was die Fehlersuche nach einem Kurzschlussereignis erheblich erschwert.
Aus der EP 3 770 936 A1 ist ein Verfahren zum Schutz eines elektrischen Stromkreises vor Fehlern und Überlastungen bekannt, bei dem ein Laststrom, der im Lastkreis fließt, ermittelt und mit dem maximal zulässigen Strom verglichen wird. Übersteigt der ermittelte Laststrom den maximal zulässigen Strom, wird die Last durch Ausschalten eines im Laststromkreis angeordneten Halbleiterschalters elektrisch isoliert. Anschließend wird ein (elektro-)mechanisches Schaltelement ausgeschaltet, um die Last physikalisch zu isolieren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten elektronischen Schutzschalter sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Schutzschalters anzugeben, durch welche die Lokalisierung der Kurzschlussstelle erleichtert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, durch einen elektronischen Schutzschalter mit einer Verarbeitungseinheit, die programmiert ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen mit den Merkmalen des Anspruchs 13, sowie durch eine elektrische Anlage mit einem derartigenSchutzschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass ein erfindungsgemäßer Schutzschalter, insbesondere Halbleiter-Leitungsschutzschalter SCCB, die Lokalisierung einer Kurzschlussstelle ermöglicht oder zumindest unterstützt, ohne dass die Leitung selbst aufwendig inspiziert werden muss. Dies ist insbesondere bei beispielsweise in Wänden oder unterirdisch verlegten Leitungen ein erheblicher Vorteil. Zudem muss kein spezielles Diagnosegerät an den kurzschlussbehafteten Stromkreis angeschlossen werden - die Diagnose wird vom erfindungsgemäßen Schutzschalter durchgeführt oder der erfindungsgemäße Schutzschalter unterstützt ein fallweise oder dauerhaft mit dem Schutzschalter koppelbares übergeordnetes Gerät bei der Diagnose.
Dabei werden vorteilhaft in modernen Schutzschaltern, insbesondere in SCCB, ohnehin vorhandene Komponenten wie das im Vergleich zum mechanischen Schaltelement schnell schaltende elektronische Schaltelement, das/die Spannungsmessmittel und das/die Strommessmittel des SCCB verwendet, d.h. es müssen abgesehen von den Steuermitteln, die beispielsweise in Software oder Firmware realisiert werden können, vorzugsweise keine Anpassungen am SCCB vorgenommen werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 ein Prinzipschaltbild eines Schutzschalters gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ersatzschaltbild für einen kurzschlussbehafteten Stromkreis mit einem Schutzschalter gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Stromkreises gemäß 2;
4 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
5 einen beispielhaften Verlauf von Strom und Spannung eines Schutzschalters bei Ausführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Schutzschalters 100, insbesondere eines Halbleiter-Leitungsschutzschalters SCCB, gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Der SCCB 100 weist netzseitige Klemmen 101 und 102 sowie lastseitige Klemmen 103 und 104 auf. Dabei erstreckt sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit der N-Leiter des beispielhaften Wechselstromsystems zwischen den Klemmen 102 und 104 und der L-Leiter zwischen den Klemmen 101 und 103.
Der SCCB 100 weist mindestens einen mechanischen Schaltkontakt auf. Im dargestellten Beispiel weist der SCCB 100 zwei mechanische Schaltkontakte 111, 112 auf, welche für beide Leiterpfade L und N die Eingangsklemmen 101, 102 von den Ausgangsklemmen 103, 104 galvanisch trennen können. Im dargestellten Beispiel sind die beiden Schaltkontakte 111, 112 gekoppelt und zu einem zweipoligen mechanischen Trennschalter 110 zusammengefasst.
Neben dem (elektro-)mechanischen Schaltelement 110 weist der SCCB 100 ein elektronisches Schaltelement bzw. ein Leistungshalbleiterelement 120 auf, welches vorzugsweise im L-Leiterpfad angeordnet ist und einen netzseitigen Pol 121, einen lastseitigen Pol 122 und einen Steuereingang 123 aufweist.
Über den Steuereingang 123 wird das elektronische Schaltelement 120 von einem Steuerelement 130 über eine Signalleitung 134 gesteuert, insbesondere in Abhängigkeit von einem vom Steuerelement 130 vorgegebenen Betriebszustand ein- und ausgeschaltet. Beim Steuerelement 130 kann es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller handeln. In Ausführungsbeispielen der Erfindung kann zudem vorgesehen sein, dass der Mikrocontroller 130 auch das mechanische Schaltelement 110 steuert (nicht dargestellt). In anderen Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass das mechanische Schaltelement 110 von einem separaten, elektronischen oder elektromechanischen, Steuerelement gesteuert wird (nicht dargestellt), das wiederum mit dem Steuerelement 130 gekoppelt sein kann.
Das Steuerelement 130 empfängt von Sensoren bzw. Messeinrichtungen des SCCB 100 Signale bzw. Messwerte, was in der Darstellung der 1 durch Pfeile 131, 132, 133 angedeutet wird. Auf die Darstellung der ggf. notwendigen Signalwandlungen wurde der besseren Übersicht wegen verzichtet, da entsprechende Mechanismen der zuständigen Fachperson wohlvertraut sind.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt der SCCB 100 über Mittel 140 zum Ermitteln der an den netzseitigen Klemmen 101, 102 anliegenden (Wechsel-)Spannung u1, von welchen aus ein die zeitabhängige Spannung u1 repräsentierender Wert über die Beziehung 131 an das Steuerelement 130 geliefert wird.
Ferner verfügt der SCCB 100 über Mittel 150 zum Ermitteln der über dem elektronischen Schaltelement 120 abfallenden Spannung u2. Von diesen wird ein die zeitabhängige Spannung u2 repräsentierender Wert über die Beziehung 132 an das Steuerelement 130 geliefert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vom Steuerelement 130 durch einfache vorzeichentreue Addition bzw. Subtraktion aus den Werten für u1 und u2 eine zeitabhängige Spannung u3 an den Ausgangsklemmen 103, 104 ermittelt werden. In Form einer Gleichung ausgedrückt gilt für das dargestellte Ausführungsbeispiel: u3 = u1 - u2.
In anderen Ausführungsbeispielen kann die Spannung u3 durch entsprechende an den Ausgangsklemmen angeordnete Messmittel direkt ermittelt werden (nicht dargestellt), wobei dann fallweise auf die Mittel 140 oder 150 verzichtet werden kann.
Der beispielhafte SCCB 100 verfügt schließlich über Mittel 160 zum Ermitteln des durch den SCCB 100 fließenden Stroms i, die vorzugsweise in der vom Leistungshalbleiter 120 geschalteten Leiterbahn L angeordnet sind. Die Mittel 160 liefern einen den zeitabhängigen Strom i repräsentierenden Wert über die Beziehung 133 an das Steuerelement 130.
Die übrige Funktionsweise der Steuerung 130 wird weiter unten im Zusammenhang mit 4 und 5 näher erläutert.
2 zeigt eine stark vereinfachte Ersatzschaltung eines Verbraucherstromkreises 200, der durch einen SCCB 100 geschützt wird. Auch die Darstellung des SCCB 100 wurde stark vereinfacht und auf die Darstellung der netzseitigen Klemmen 101, 102, der lastseitigen Klemmen 103, 104 und der Schaltmittel 120, 111 im L-Pfad reduziert. Die bereits erwähnten Spannungen u1, u2 und u3 sowie der Strom i sind zur besseren Übersicht ebenfalls dargestellt.
Der Verbraucherstromkreis 200 weist einen Kurzschluss an einer Kurzschlussstelle K in der Leitung zwischen den lastseitigen Klemmen 103, 104 des SCCB 100 und dem eigentlichen Verbraucher (nicht dargestellt) auf. Die Entfernung bzw. genauer gesagt die Leitungslänge zwischen den lastseitigen Klemmen 103, 104 des SCCB 100 und dem Kurzschluss ist mit X bezeichnet und durch einen Doppelpfeil angedeutet. Im dargestellten vereinfachten Ersatzschaltbild des Verbraucherstromkreises 200 weist die Leitung ausgehend von der lastseitigen L-Klemme 103 des SCCB 100 folgende Elemente auf: eine erste ohmsche Leitungskomponente 211 mit dem Wert R1/2, eine erste induktive Leitungskomponente 221 mit dem Wert L/2, eine ohmsche Kurzschlusskomponente 230 mit dem Wert R2, eine zweite induktive Leitungskomponente 222 mit dem Wert L/2 und eine zweite ohmsche Leitungskomponente 212 mit dem Wert R1/2.
Mit Blick auf eine weitere Vereinfachung (vgl. 3) wurde dabei bereits vereinfachend angenommen, dass die ohmschen Komponenten 211, 212 und die induktiven Komponenten 221, 222 für die Hin- und die Rückleitung jeweils annähernd gleich sind und daher jeweils annähernd der Hälfte des gesamten Leitungswiderstands R1 sowie der gesamten Leitungsinduktivität L zwischen den lastseitigen Klemmen 103, 104 des SCCB 100 und der Kurzschlussstelle K entsprechen.
In 3 ist ein weiter vereinfachtes Ersatzschaltbild des Verbraucherstromkreises 200 zwischen den lastseitigen Klemmen 103, 104 des SCCB 100 und der Kurzschlussstelle K gezeigt. Die in 2 gezeigten ohmschen und induktiven Leitungskomponenten 211, 212, 221, 222 wurden zu einer ohmschen Leitungskomponente 210 mit Wert R1 und einer induktiven Leitungskomponente 220 mit Wert L zusammengefasst. Somit bilden für die Zwecke der weiteren Betrachtung die ohmsche Leitungskomponente R1, die induktive Leitungskomponente L und der ohmsche Widerstand R2 an der Kurzschlussstelle K den vereinfachten Verbraucherstromkreis 200, durch den der Strom i fließt. An den lastseitigen Klemmen 103, 104 des SCCB 100 liegt die Spannung u3 an, die gleichzeitig die zeitabhängige Speisespannung des Verbraucherstromkreises 200 ist und sich in zeitabhängige Spannungsabfälle u4, u5 und u6 über den Komponenten R1, L und R2 aufteilt. In Form einer Gleichung ausgedrückt: u3 = u4 + u5 + u6.
Anhand von 4 wird im Folgenden eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Das Verfahren startet in Schritt 410, beispielsweise ansprechend auf eine von einem Bediener generierte Anforderung hin, wenn die folgenden Voraussetzungen vorliegen: das elektronische Schaltelement 120 des SCCB 100 wurde wegen eines detektierten Kurzschlussereignisses ausgeschaltet (bzw. ist im hochohmigen Zustand) und das mechanische Schaltelement 110 ist (bzw. wurde wieder) geschlossen.
In Schritt 420 wird gewartet, bis die Eingangswechselspannung u1 an den Eingangsklemmen 101, 102 des SCCB 100 einen definierten Wert erreicht, beispielsweise mindestens 80% des positiven oder negativen Scheitelwerts der Eingangswechselspannung, bevorzugt annähernd den positiven oder negativen Scheitelwert der Eingangswechselspannung. In alternativen Ausführungsbeispielen wird in Schritt 420 gewartet, bis der Betrag der Eingangswechselspannung u1 an den Eingangsklemmen 101, 102 des SCCB 100 einen definierten Wert unterschreitet, beispielsweise einen Wert kleiner oder gleich einer Sicherheitsspannung, bei der das versehentliche Berühren spannungsführender Teile ohne Gefahr für den Menschen ist, beispielsweise 50 Volt oder kleiner oder 60 Volt oder kleiner oder 24 Volt oder kleiner.
Anschließend wird in Schritt 430 das elektronische Schaltelement 120 des SCCB eingeschaltet, woraufhin der kurzschlussbehaftete Verbraucherstromkreis 200 mit elektrischer Energie beaufschlagt wird und Strom i zu fließen beginnt. Mit Blick auf 5 ist dies der Zeitpunkt t0.
In Schritt 440 (zum Zeitpunkt t1 in 5) wird ein Stromwert i1 des im Verbraucherstromkreis 200 fließenden Stroms i ermittelt und bevorzugt annähernd zeitgleich wird ein Spannungswert u31 der eingangsseitig am Verbraucherstromkreis 200 anliegenden Spannung u3 ermittelt. Diese Werte u31 und i1 werden in einem Speicher (nicht dargestellt) abgelegt. Für den im Beispiel der 1 dargestellten SCCB 100 werden die jeweiligen Momentanwerte für u1 und u2 zum Zeitpunkt t1 ermittelt und daraus wird u31 berechnet, i wird mittels der Strommessmittel 160 zum Zeitpunkt t1 bestimmt. In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die Erfassung von u3 und i auch zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgen. Dann ist es ggf. erforderlich, Paare von Werten für u3 und i durch Interpolation zu ermitteln. Dies bietet sich beispielsweise an, wenn der SCCB 100 über ein (einziges) Spannungsmessmittel verfügt, das zunächst an die Leitungen L und N geschaltet wird, um einen Momentanwert für u1 oder u3 zu bestimmen, und anschließend an die Klemmen eines in den Pfad L integrierten Messwiderstands oder Shunt (nicht dargestellt), um den Spannungsabfall über diesem Messwiderstand zu ermitteln, woraus dann beispielsweise die Steuerung 130 einen Momentanwert für den Strom i berechnet.
In Schritt 450 wird geprüft, ob der Momentanwert i1 des Stroms i einen für das Verfahren vorgebbaren Maximalwert des Stroms i überschreitet. Falls ja wird das Verfahren aus Sicherheitsgründen mit Schritt 470 fortgesetzt. Falls nein wird das Verfahren mit Schritt 460 fortgesetzt. In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung beträgt der für das Verfahren vorgebbare Maximalwert des Stroms i das Fünffache des Amplitudenwertes des Nennstroms des Schutzschalters 100. Alternativ kann die Prüfung, ob der Strom den vorgebbaren Maximalwert überschreitet, parallel zu den hier beschriebenen Schritten erfolgen, beispielsweise mit höherer Abfragefrequenz und/oder durch dedizierte Hardware, um durch ein dann initiiertes Abschalten des elektronischen Schaltelements 120 eine Überschreitung des maximalen Wertes für den Strom i sicher und schnell zu verhindern.
Analog dazu kann zusätzlich oder alternativ in Schritt 450 geprüft werden, ob der Betrag der Spannung u3 einen vorgebbaren Maximalwert, beispielsweise die bereits erwähnte Schutzspannung, überschreitet. Falls ja wird das Verfahren aus Sicherheitsgründen mit Schritt 470 fortgesetzt. Falls nein wird das Verfahren mit Schritt 460 fortgesetzt.
In Schritt 460 wird geprüft, ob eine vorgebbare Anzahl von Werten für u3 und i ermittelt wurden. Die Mindestanzahl von Wertepaaren liegt dabei in bevorzugten Ausführungsbeispielen bei 2. In weiteren Ausführungsbeispielen können beispielsweise 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 Wertepaare genutzt werden. Generell gilt: je höher die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Steuereinheit ist, um so mehr Wertepaare können erfasst werden, was im Berechnungsschritt 470 anschließend eine Plausibilitätskontrolle der Wertepaare und/oder Filterungen wie Glättungen und/oder Interpolationen zu bestimmten Zeitpunkten und/oder das Ausblenden von Einschwingvorgängen ermöglicht.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung kann zusätzlich oder alternativ, parallel zu den hier beschriebenen Schritten oder an geeigneter Stelle eingeordnet in die hier beschriebene Sequenz, geprüft werden, ob die seit Einschalten des elektronische Schaltelement 120 des SCCB 100 in Schritt 430 bereits vergangene Zeit einen vorgebbaren Maximalwert erreicht hat.
Ist die vorgebbare Anzahl von Wertepaaren noch nicht erreicht und/oder die maximale Zeit für das Einschalten des elektronischen Schaltelements 120 noch nicht erreicht, wird zu Schritt 440 zurückgesprungen und eine neue Ermittlung von Momentanwerten für u3 und i durchgeführt. In 5 ist dies beispielhaft angedeutet: zum Zeitpunkt t2 werden wie weiter oben für u31 und i1 beschrieben die Werte u32 und i2 ermittelt.
Ist die vorgebbare Anzahl von Wertepaaren erreicht und/oder die maximale Zeit für das Einschalten des elektronischen Schaltelements 120 erreicht, wird die Wiederholung beendet und mit Schritt 470 fortgefahren.
In Schritt 470 wird das elektronische Schaltelement 120 des SCCB 100 abgeschaltet, falls dies nicht durch parallel ablaufende Prozesse (beispielsweise durch eine der vorstehend beschriebenen Prüfungen auf Überschreiten eines maximalen Stromwertes oder maximalen Betrages der Spannung oder der maximalen Einschaltdauer) bereits erfolgt ist. Mit Blick auf 5 erfolgt das Abschalten des elektronischen Schaltelements 120 zum Zeitpunkt t3.
Anschließend wird in Schritt 470 die Leitungsimpedanz L der Leitung zwischen dem Schutzschalter 100 und der Kurzschlussstelle K aus den Spannungswerten u31, u32 und den Strommesswerten i1, i2 sowie deren zeitlichen Abstand Δt = t2 - t1 zumindest näherungsweise berechnet. In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden dazu zunächst Δi = i2 - i1 und Δu3 = u32 - u31 berechnet. Anschließend wird mittels folgender Beziehung als Hilfsgröße der Wert des gesamten ohmschen Widerstands zwischen den Klemmen 103 und 104 abgeschätzt:

R1 + R2 = Δu3 / Δi. Mit Hilfe dieser Hilfsgröße wird sodann u5 zu einem der Zeitpunkte t1 oder t2 (im folgenden bei t1) abgeschätzt: u51 = u31 - u41 - u61 = u31 - ((R1 + R2) * i1).
Dann wird mittels der Beziehung di / dt = Δi / Δt ein Näherungswert für di / dt ermittelt und schließlich mittels der Beziehung L = u51 / (di / dt) der gesuchte Näherungswert für L ermittelt.

Mittels der in durch mehrfache, hier zweifache, Ausführung des Schritts 440 ermittelten Werte u31, u32, i1, i2 ausgedrückt ergibt sich für das bevorzugte Ausführungsbeispiel folgende Gleichung: $L = (u31 - (u32 - u31) / (i 2 - i1) * i1) / ((i 2 - i1) / (t2 - t 1))$
Aus dem beispielsweise aus Datenblättern bekannten, vorzugsweise für den jeweiligen Verbraucherstromkreis 200 in einem Speicher der Steuerung 130 hinterlegten Induktivitätsbelag der für den Verbraucherstromkreis 200 verwendeten Leitung kann nun als dem für L berechneten Wert und dem Induktivitätsbelag der Leitung die Entfernung X zwischen den lastseitigen Klemmen 103, 104 des SCCB 100 und der Kurzschlussstelle K berechnet werden, indem L durch den beispielsweise in µH/m angegebenen Induktivitätsbelag dividiert wird: $X = L/Induktivit \ddot{a} tsbelag$
Der Induktivitätsbelag ist dabei insbesondere vom Leitungs- und/oder Leitermaterial und/oder dem Leiterquerschnitt und/oder der Anordnung der Leiter in der Leitung abhängig.
Der so ermittelte Wert für X wird anschließend gespeichert und einem Bediener angezeigt bzw. zur Anzeige an ein übergeordnetes Gerät (nicht dargestellt) weitergeleitet. Die vorstehend beschriebenen Berechnungen können komplett durch die Steuerung 130 des SCCB ausgeführt werden. Alternativ können einzelne oder alle Berechnungsschritte von einem übergeordneten Gerät durchgeführt werden, so dass beispielsweise die erforderliche Rechenleistung nur einmal pro Schaltkasten implementiert werden muss und/oder von einem portablen Gerät bedarfsweise zur Verfügung gestellt wird. Das übergeordnete und/oder portable Gerät kann dabei drahtgebunden oder drahtlos permanent oder bedarfsweise mit dem SCCB 100 verbunden werden (nicht dargestellt) und kann insbesondere über eine komfortable Anzeige des ermittelten Wertes für X und optional weiterer Parameter verfügen.
In Ausführungsbeispielen wird anstelle des Wertes X der Wert L an den Bediener ausgegeben bzw. zur Ausgabe an den Bediener bereitgestellt und es wird dabei dem Bediener überlassen, den Induktivitätsbelag für den Verbraucherstromkreis 200 zu ermitteln und aus L und dem Induktivitätsbelag dann X zu berechnen. Dies hat den Vorteil, dass der SCCB 100 oder das übergeordneten Gerät universell verwendbar sind und keine individuelle Parametrierung des Induktivitätsbelages erfolgen muss, was bei SCCB und anderen Geräten, die typischerweise keine Benutzerschnittstelle aufweisen, den Installationsaufwand verringert.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung wird aus den Spannungswerten u31, u32 und den Strommesswerten i1, i2 der Leitungswiderstand R1 der Leitung zwischen Schutzschalter 100 und der Kurzschlussstelle K berechnet und optional an den Bediener ausgegeben oder zur Ausgabe an den Bediener bereitgestellt. Dabei kann in bestimmten Ausführungsbeispielen vereinfachend die Annahme gemacht werden, dass der elektrische Widerstand R2 an der Kurzschlussstelle Null ist, also R2 = 0. Dann liegt mit dem vorstehend als Hilfsgröße bezeichneten Wert des gesamten ohmschen Widerstands zwischen den Klemmen 103 und 104 bereits eine Abschätzung für R1 vor, nämlich R1 = Δu3 / Δi.
In anderen Ausführungsbeispielen wird diese vereinfachende Annahme nicht getroffen, sondern es wird aus der ermittelten Leitungslänge X und einem beispielsweise aus Datenblättern bekannten Widerstandsbelag der Leitung zunächst R1 berechnet, indem X mit einem (beispielsweise in mΩ/m angegebenen) Widerstandsbelag multipliziert wird: $R1 = X * Widerstandsbelag$
Auch der Widerstandsbelag ist dabei insbesondere vom Leitungs- und/oder Leitermaterial und/oder dem Leiterquerschnitt und/oder der Anordnung der Leiter in der Leitung abhängig.
Aus diesem Wert R1 und dem als Hilfsgröße ermittelten Wert R1 + R2 des gesamten ohmschen Widerstands zwischen den Klemmen 103 und 104 kann dann optional der elektrische Widerstand R2 an der Kurzschlussstelle K berechnet werden, indem R1 von dieser Hilfsgröße subtrahiert wird. Für R2 gilt dann die Beziehung R2 = (R1 + R2) - R1 = Δu3 / Δi - R1. Der Wert für R2 kann an den Bediener ausgegeben bzw. zur Ausgabe an den Bediener bereitgestellt oder für weitere Berechnungen verwendet werden.
Falls beispielsweise aufgrund eines zu hohen Stroms oder eines zu hohen Betrags der Ausgangsspannung des SCCB oder Erreichen der maximalen Zeit das Verfahren zu Schritt 470 geleitet wurde, ohne dass genügend Werte für die vorstehend beschriebenen Berechnungen zur Verfügung stehen, kann optional ein Fehlercode erzeugt und an einen Bediener übermittelt oder zur Übermittlung bereitgestellt werden, der anzeigt, dass die automatische Bestimmung des/der Parameter(s) L und/oder X nicht möglich war.
Nach Berechnung und Ausgabe bzw. Bereitstellung der Parameter X und/oder L und/oder R1 und/oder R2 endet das Verfahren mit Schritt 480. Natürlich ist es möglich, das Verfahren auf eine entsprechende Bedienereingabe hin erneut zu starten. In Ausführungsbeispielen ist es möglich, das Verfahren automatisch mehrfach hintereinander ablaufen zu lassen und vor Ausgabe der Parameter eine Mittelwertbildung vorzunehmen, um zu einer besseren Abschätzung zu gelangen.
Ferner ist es natürlich möglich, die Zuverlässigkeit der Abschätzung durch weitere Wertepaare zu verbessern. Die Abschätzung beruht u.a. auf der Annahme, dass in den sehr kurzen betrachteten Zeitabständen die beschriebenen Vorgänge linear (und bezüglich des Wechselstromsystems, an welches der SCCB 100 und der Verbraucherstromkreis 200 angebunden sind, quasistationär) ablaufen. Die Auswertung von mehr als zwei Wertepaaren erlaubt es dann, Wertepaare von der Betrachtung auszuschließen, bei denen sich die vorstehend genannten Voraussetzungen durch Vergleich mit den anderen Wertepaaren bzw. Interpolation als nicht zutreffend herausstellen, beispielsweise im Fall von Einschwingvorgängen oder in die Leitung eingekoppelten Störungen.
Wie bereits erwähnt ist es möglich, das vorstehend beschriebene Verfahren vollständig durch eine Steuerung 130, beispielsweise einen Mikrocontroller, eines modernen SCCB 100 ausführen zu lassen und die Ergebnisse über drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle an ein Anzeigegerät des Bedieners zu übermitteln. Bei dem Anzeigegerät kann es sich beispielsweise um ein mittels Bluetooth oder einer anderen Nahfunktechnik mit dem SCCB 100 koppelbares mobiles Gerät wie beispielsweise ein Smartphone handeln. Dabei kann die auf diesem mobilen Gerät ablaufende Software so ausgestaltet sein, dass der Bediener das Verfahren durch eine Benutzereingabe, die dann an den SCCB 100 übermittelt wird, überhaupt erst in Gang setzt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der SCCB 100 lediglich die Messwerte übermittelt und das mobile Gerät die Berechnungen vornimmt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines einen elektrischen Stromkreis (200) schützenden Schutzschalters (100), der Schutzschalter (100) aufweisend ein mechanisches Schaltelement (110) und ein dazu in Reihe geschaltetes elektronisches Schaltelement (120), mit folgenden Schritten: a) erneutes Einschalten des Stromkreises (200) mittels des elektronischen Schaltelements (120) nach einem Abschalten des Stromkreises (200) durch das elektronische Schaltelement (120) aufgrund eines vom Schutzschalter (100) detektierten Kurzschlusses im geschützten Stromkreis (200); b) Ermitteln zumindest zweier, zeitlich beabstandeter Strommesswerte (i1, i2) für einen durch den Schutzschalter (100) fließenden Strom (i); c) Ermitteln zumindest zweier, zeitlich beabstandeter Spannungswerte (u31, u32) an lastseitigen Klemmen (103, 104) des elektronischen Schutzschalters (100); d) erneutes Abschalten des Stromkreises (200) durch das elektronische Schaltelement (120) bei Eintreten eines oder mehrerer der folgenden Kriterien: • Erreichen eines vorgebbaren maximalen Wertes für den durch den Schutzschalter (100) fließenden Strom (i); • Erreichen einer vorgebbaren Zeitdauer (t3) ab dem Zeitpunkt (t0) des erneuten Einschaltens des Stromkreises (200) ; • Ermitteln einer vorgebbaren Anzahl von Strom- und/oder Spannungsmesswerten; e) Berechnen einer Leitungsimpedanz (L) der Leitung zwischen Schutzschalter (100) und einer Kurzschlussstelle (K) aus den Spannungswerten (u31, u32) und den Strommesswerten (i1, i2) sowie deren zeitlichen Abstand (Δt).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem f) aus der berechneten Leitungsimpedanz (L) und einem Induktivitätsbelag des für die Leitung verwendeten Leitungsmaterials eine Länge (X) der Leitung zwischen Schutzschalter (100) und Kurzschlussstelle (K) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem g) aus den Spannungswerten (u31, u32) und den Strommesswerten (i1, i2) ein ohmscher Widerstand des Stromkreises (200) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 soweit rückbezogen auf Anspruch 2, bei dem h) aus einem Widerstandsbelag des für die Leitung verwendeten Leitungsmaterials und der Länge (X) der Leitung zwischen Schutzschalter (100) und Kurzschlussstelle (K) zunächst ein Widerstand (R1) der Leitung zwischen Schutzschalter (100) und Kurzschlussstelle (K) berechnet wird und anschließend aus dem ohmschen Widerstand des Stromkreises (200) und dem Widerstand (R1) der Leitung zwischen Schutzschalter (100) und Kurzschlussstelle (K) der elektrische Widerstand (R2) an der Kurzschlussstelle (K) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schritte b) und c) zeitgleich oder nahezu zeitgleich ausgeführt und jeweils Paare von Strommess- (i1, i2) und Spannungswerten (u31, u32) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem einige oder alle der Berechnungsschritte e), f), g) und/oder h) durch den elektronischen Schutzschalter (100) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 soweit auf diese rückbezogen, bei dem einige oder alle der Berechnungsschritte e), f), g) und/oder h) durch ein übergeordnetes Gerät durchgeführt werden, wobei die für die jeweilige Berechnung erforderlichen Strommess- (i1, i2) und/oder Spannungswerte (u31, u32) drahtlos oder drahtgebunden vom Schutzschalter (100) an das übergeordnete Gerät übermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der vorgebbare maximale Wert für den durch den Schutzschalter (100) fließenden Strom (i) dem Fünffachen des Amplitudenwertes eines Nennstroms des Schutzschalters (100) entspricht oder geringer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vorgebbare Zeitdauer (t3) 1 Millisekunde oder kürzer, insbesondere 100 Mikrosekunden oder kürzer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erneute Einschalten erfolgt, wenn eine am Schutzschalter (100) eingangsseitig anliegende Wechselspannung (u1) zumindest annähernd ihrem Scheitelwert entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das erneute Einschalten erfolgt, wenn der Betrag einer am Schutzschalter (100) eingangsseitig anliegenden Wechselspannung (u1) zumindest kleiner oder gleich einer Sicherheitsspannung ist, bei der ein versehentliches Berühren spannungsführender Teile des Stromkreises (200) ohne Gefahr für den Menschen ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Abschalten des Stromkreises (200) durch das elektronische Schaltelement (120) erfolgt, wenn der Betrag der am Schutzschalter (100) eingangsseitig anliegenden Wechselspannung (u1) die Sicherheitsspannung übersteigt.
Elektronischer Schutzschalter (100) aufweisend Spannungsmessmittel (140, 150) und Strommessmittel (160) sowie eine Verarbeitungseinheit (130), die programmiert ist, das Verfahren gemäß eines der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Elektrische Anlage mit einem oder mehreren Schutzschaltern (100) gemäß Anspruch 13 sowie einem drahtlos oder drahtgebunden mit dem oder den Schutzschaltern (100) verbindbaren Gerät zur Berechnung und/oder Anzeige der Länge (X) der Leitung zwischen Schutzschalter (100) und Kurzschlussstelle (K) eines kurzschlussbehafteten Stromkreises (200).
Elektrische Anlage gemäß Anspruch 14, deren Schutzschalter (100) so ausgestaltet ist/sind, dass das Verfahren zur Ermittlung und/oder Anzeige der Länge (X) der Leitung zwischen Schutzschalter (100) und der Kurzschlussstelle (K) durch das Gerät initiierbar ist.