DE19944043A1 - Fehlerstrom-Schutzeinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung - Google Patents

Abstract

Um ein sicheres und verschleißfreies Schalten einer Fehlerstrom-Schutzvorrichtung zu gewährleisten ist es vorgesehen, in dieser ein elektronisches Schaltelement, das insbesondere ein SiC-Halbleiterbauelement (14) aufweist, einzusetzen. Um bestehende Normen zu erfüllen, wird bevorzugt zusätzlich ein Kontaktschalter (16) vorgesehen, der vorzugsweise lastfrei geschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fehlerstrom-Schutzvorrichtung mit einer Erfassungseinheit zur Erfassung eines Fehlerstroms in einem Leiter eines Leiternetzes und mit einer auf den Leiter einwirkenden Schalteinheit.

Die Fehlerstrom-Schutzvorrichtung, auch als Schutzschalter bezeichnet, wird in elektrischen Anlagen zum Schutz des Men­ schen vor gefährlichen Körperströmen eingesetzt. Daneben er­ füllt der Schutzschalter auch eine Brandschutzfunktion.

Bei den Schutzschaltern unterscheidet man den netzspannungs­ unabhängigen sogenannten FI-Schalter (Fehlerstrom-Schutz­ schalter), von dem netzspannungsabhängigen DI-Schutzschalter (Differenzstrom-Schutzschalter). Der prinzipielle Aufbau ei­ nes FI-Schalters ist in dem Artikel "Fehlerstrom-Schutzschal­ ter zum Schutz gegen gefährliche Körperströme" aus "etz", Band 110, 1989, Heft 12, Seiten 580 bis 584, beschrieben.

Beide Typen von Schutzschaltern weisen im Wesentlichen drei Funktionsgruppen auf. Dies sind ein Summenstromwandler zur Fehlerstromerfassung, ein Auslöser zur Umsetzung der vom Sum­ menstromwandler übermittelten elektrischen Messgröße in eine mechanische Bewegung und ein Schaltschloss mit Kontakten zu den Leitern eines Leiternetzes. Der Summenstromwandler ist Teil einer Erfassungseinheit, und der Auslöser und das Schaltschloss sind Teile einer Schalteinheit. Bei Auftreten eines unzulässigen Fehlerstroms im Leiternetz, dessen Leiter durch den Summenstromwandler geführt sind, wird über den Aus­ löser und das Schaltschloss eine Unterbrechung der Leiter vorgenommen.

Aus Sicherheitsgründen schreiben Normen eine galvanische, al­ so eine räumliche, Trennung der Leiter vor. Damit soll eine sichere Trennstrecke nach Abschalten des Fehlerstroms sicher­ gestellt werden.

Bei häufigem Gebrauch des Schutzschalters ist dessen Lebens­ dauer aufgrund des sogenannten Kontaktabbrands begrenzt. Die­ ser ist unter anderem durch das Entstehen von Lichtbögen bei den Schaltvorgängen bedingt. Andererseits kann aber auch eine zu lange Zeitspanne zwischen einzelnen Schaltvorgängen, bei­ spielsweise aus Korrosionsgründen, zu einer Beeinträchtigung der Funktionssicherheit führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fehlerstrom- Schutzvorrichtung besonders funktionssicher auszubilden.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Feh­ lerstrom-Schutzvorrichtung mit einer Erfassungseinheit zur Erfassung eines Fehlerstroms in einem Leiter eines Leiter­ netzes und mit einer auf den Leiter einwirkenden Schaltein­ heit, wobei die Schalteinheit ein elektronisches Schaltele­ ment zur Unterbrechung des Stromflusses durch den Leiter um­ fasst.

Durch die Anordnung eines elektronischen Schaltelements an­ statt eines mechanischen Schaltschlosses mit Kontakten sind die mit dem Schaltschloss verbundenen mechanischen Probleme ausgeschlossen. Mit dem elektronischen Schaltelement lassen sich beliebig viele Schaltvorgänge vornehmen, ohne dass die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird. Zudem ist das elek­ tronische Schaltelement jederzeit und über nahezu unbegrenzte Zeiträume ohne Sicherheitsbußen einsatzbereit.

Elektronische Schaltelemente an sich sind bekannt. Beispiels­ weise sind hier Tyristoren und insbesondere Zwei-Richtungs- Tyristoren, sogenannte "TRIAC's" zu nennen. Letztere sind zum Schalten von Wechselströmen geeignet. Im Hinblick auf die ho­ hen Sicherheitsanforderungen für Schutzschalter, die den Men­ schen vor gefährlichen Körperströmen schützen sollen, werden die elektronischen Schaltelemente im Allgemeinen wegen si­ cherheitstechnischen Aspekten - z. B. sichtbare Trennstrecke - nicht in Betracht gezogen. Dies schlägt sich unter anderem in den gegenwärtig bestehenden Normen nieder, die eine galvani­ sche Trennung vorsehen und somit ein elektronisches Schalt­ element ausschließen. Die Erfindung geht von der überraschen­ den Erkenntnis aus, dass elektronische Schaltelemente ein ausreichend sicheres Schalten gewährleisten. Ein mit einem elektronischen Schaltelement versehener Schutzschalter weist eine ausreichend hohe Sicherheit gegen gefährliche Körper­ ströme auf. Sie lassen sich also prinzipiell in Schutzschal­ tern einsetzen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Schaltelement ein SiC-Halbleiterbauelement.

Ein solches SiC-Halbleiterbauelement, kurz als SiC-Element bezeichnet, ist besonders gut für die Anforderungen in einem Schutzschalter geeignet und gewährleistet eine hohe Sicher­ heit. Die Vorteile eines SiC-Halbleiterbauelements sind unter anderem darin zu sehen, dass ein schnelles und robustes Schalten ermöglicht ist. Ein SiC-Halbleiterbauelement gewährt daher ein ausreichend schnelles Schalten zum Schutz des Men­ schen. Entscheidend für ein sicheres und zuverlässiges Schalten ist die Robustheit des SiC-Elements. Die Robustheit äußert sich darin, dass das SiC-Element mit sehr hohen Span­ nungen und Stromdichten betrieben werden kann, und das selbst bei hohen Betriebstemperaturen bis in den Bereich von einigen hundert °C. Diese Robustheit wird nicht zuletzt durch die sehr hohe Durchbruchfeldstärke von SiC erreicht. Das bedeu­ tet, dass sehr hohe Potentialdifferenzen auf geringstem Raum sicher getrennt werden, ohne das ein Durchbruch auftritt. Beispielsweise ist bei einem SiC-Bauelement eine Trennstrecke von 0,01 mm ausreichend, um eine Potentialdifferenz von über 1 kV zu sperren. Damit erreicht SiC einen um den Faktor 10 besseren Wert als reines Silicium. Ein weiterer wesentlicher Vorteil im Hinblick auf die Schutzfunktion ist in dem äußerst geringen Sperrstrom zu sehen, der den Strom angibt, der im Sperrzustand durch das SiC-Halbleiterbauelement fließt. Der Sperrstrom liegt bei SiC unter einem µA/cm².

In einer bevorzugten Ausführung bildet das Schaltelement, insbesondere das SiC-Element, eine Schutzfunktion für das Leiternetz gegen einen Überstrom und/oder gegen eine Über­ spannung und/oder gegen eine thermische Überlast. Hierbei wird in zweckdienlicher Weise insbesondere die Möglichkeit eines SiC-Halbleiterbauelements der Strom- und Spannungs­ begrenzung ausgenutzt. Die SiC-Halbleiterbauelemente haben nämliche die Eigenschaft der eigensicheren Strombegrenzung. Die SiC-Halbleiterbauelemente schützen also sowohl das Lei­ ternetz als auch den Schutzschalter selbst.

Für den Überstromschutz wird insbesondere die strombegren­ zende Wirkung des SiC-Elements ausgenutzt. Infolge der strom­ begrenzenden Wirkung ist zugleich ein thermischer Überlast­ schutz des Leitungsnetzes und auch des Schutzschalters er­ reicht. Der Überstromschutz ist zudem vorzugsweise derart ausgebildet, dass das SiC-Element ab einer bestimmten Strom­ stärke den Leiter abschaltet. Dies ist im Hinblick auf Kurz­ schlussströme von Vorteil. Das Schaltelement übernimmt also neben der eigentlichen Schaltfunktion zusätzliche Schutz­ funktionen für das Leiternetz. Die für das Leitungsnetz im allgemeinen separat vorgesehene Kurzschlusssicherung und thermische Überlastsicherung sind daher nicht notwendig, da die Schutzfunktion jeweils im SiC-Element integriert ist.

Um ein möglichst schnelles Abschalten bei Auftreten eines Fehlerstroms zu erreichen, ist das Schaltelement mit der Er­ fassungseinheit über eine Signalleitung verbunden, über die das Schaltelement gesteuert wird.

In einer zweckdienlichen Ausgestaltung weist die Schaltein­ heit neben dem elektronischen Schaltelement zusätzlich einen mechanischen Kontaktschalter auf, der den Leiter galvanisch vom Leiternetz trennt. Der Kontaktschalter ist hierzu insbe­ sondere in Reihe zum SiC-Element geschaltet. Die Schaltein­ heit mit der Kombination des elektronischen Schaltelements mit dem mechanischen Kontaktschalter verbindet deren Vorteile miteinander. Insbesondere bleiben die Vorteile des Schaltele­ ments im Hinblick auf den Schaltvorgang sowie seine Schutz­ funktionen erhalten. Gleichzeitig gewährleistet der Kontakt­ schalter ein vollständiges sichtbares Trennen der Leiter vom Leiternetz, wodurch die Sicherheit erhöht ist. Dies bietet zudem den Vorteil, dass eine derartige Schalteinheit beste­ hende Normen erfüllt.

Vorzugsweise ist die Schalteinheit derart ausgeführt, dass der Kontaktschalter lastfrei schaltet. Hierzu ist beim Tren­ nen des Leiters insbesondere vorgesehen, dass zunächst das elektronische Schaltelement den Stromdurchfluss unterbricht, und erst anschließend der Kontaktschalter den Leiter galva­ nisch trennt. Um den Leiter wieder an das Leiternetz anzu­ schließen wird in umgekehrter Reihenfolge vorgegangen, d. h. zunächst wird der Kontaktschalter geschlossen und erst an­ schließend wird der Stromdurchfluss durch das elektronische Schaltelement ermöglicht. Damit wird verhindert, dass bei den Schaltvorgängen mit dem Kontaktschalter Lichtbögen entstehen, die im Laufe der Zeit die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen.

Um den Kontaktschalter im Hinblick auf eine mögliche Korro­ sion der mechanischen Elemente vor Umwelteinflüssen zu schüt­ zen, ist dieser bevorzugt in einem Relais integriert, das zur Umgebung hin abgedichtet ist. Sämtliche mechanischen Elemente im Schalter sind daher vor Umwelteinflüssen geschützt. Das Gehäuse des Relais ist hierzu insbesondere mit einem geeig­ neten Mittel, beispielsweise mit Kunstharz, vergossen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Fehlerstrom-Schutzvorrich­ tung, die eine Erfassungseinheit zur Erfassung eines Fehler­ stroms in einem Leiter eines Leiternetzes sowie eine auf den Leiter einwirkende Schalteinheit aufweist, wobei ein Strom­ fluss durch den Leiter mittels eines elektronischen Schalt­ elements geschaltet wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Un­ teransprüchen niedergelegt. Die Vorteile und bevorzugten Aus­ führungsformen der Fehlerstrom-Schutzvorrichtung sind auf das Verfahren sinngemäß anzuwenden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden an­ hand der einzigen Figur erläutert. Sie zeigt in einem schema­ tischen Blockschaltbild eine Fehlerstrom-Schutzvorrichtung.

Gemäß der Figur umfasst die Fehlerstrom-Schutzvorrichtung eine Erfassungseinheit 2 und eine einen Schalter bildende Schalt­ einheit 4. Die Erfassungseinheit 2 umfasst einen ersten und einen zweiten Summenstromwandler 6a, 6b, an die jeweils eine erste und eine zweite Auswerteeinheit 8a, 8b angeschlossen sind. Durch die beiden Summenstromwandler 6a, 6b sind die Lei­ ter 10 eines Leiternetzes 11 geführt. Während die erste Aus­ werteeinheit 8a über Versorgungsleitungen 12 mit den Lei­ tern 10 verbunden ist, wird die zweite Auswerteeinheit 8b netzspannungsunabhängig betrieben. Der erste Summenstromwand­ ler 6a mit angeschlossener erster Auswerteeinheit 8a ist da­ her nach Art eines netzspannungsabhängigen DI-Schutzschalters und der zweite Summenstromwandler 6b mit der dazugehörigen zweiten Auswerteeinheit 8b ist als netzspannungsunabhängiger FI-Schutzschalter ausgebildet. Über die beiden Summenstrom­ wandler 6a, 6b und die Auswerteeinheiten 8a, 8b wird ein in den Leitern 10 auftretender Fehlerstrom erfasst. Die Schutzvor­ richtung ist hierzu bevorzugt allstromsensitiv zur Erfassung aller Fehlerstromarten ausgebildet. Sobald der Fehlerstrom einen unzulässigen Wert erreicht, wird jeweils von der Aus­ werteeinheit 8a, 8b, die den unzulässigen Fehlerstrom detek­ tiert, ein Signal über eine Signalleitung 13 an die Schalt­ einheit 4 übermittelt.

Die Schalteinheit 4 weist für jeden Leiter 10 ein in diesen geschaltetes elektronisches Schaltelement, insbesondere ein SiC-Halbleiterbauelement 14 (SiC-Element), sowie einen je­ weils in Reihe geschalteten mechanischen Kontaktschalter 16 auf. Die SiC-Elemente 14 haben jeweils zwei Anschlüsse für den jeweiligen Leiter 10 sowie einen dritten Anschluss für die Signalleitung 13. Über den dritten Anschluss wird das SiC-Element 14 also geschaltet. Hierzu wird eine geeignete Spannung angelegt. Diese Spannung wird von der ersten und/oder zweiten Auswerteeinheit 8a, 8b bereitgestellt.

Zum Schalten der Kontaktschalter 16 ist ein Auslöser 18 vor­ gesehen, der über eine mechanische Verbindung 20 mittels ei­ nes Schaltschlosses 21 auf die Kontaktschalter 16 einwirkt. Die Signalleitung 13 ist mit dem Auslöser 18 zur Übermittlung eines Auslösesignals verbunden. Zweckmäßigerweise sind die Kontaktschalter 16, der Auslöser 18 und die mechanische Ver­ bindung 20 als Relais 22 ausgeführt. Dieses ist beispiels­ weise ein herkömmliches elektromechanisches Schaltrelais. Um eine Korrosion der mechanischen Elemente zu vermeiden, ist das Relais zur Umgebung abgedichtet und insbesondere in einem beispielsweise mit Kunstharz vergossenen Gehäuse integriert.

Die Schalteinheit 4 ist derart ausgebildet, dass bei Auf­ treten eines unzulässigen Fehlerstroms zunächst die SiC- Elemente 14 den Stromdurchfluss durch den Leiter 10 unterbin­ den, und dass erst anschließend die Kontaktschalter 16 geöff­ net werden. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die SiC-Elemente 14 bei einer kleineren über die Signallei­ tung 13 anliegenden Spannung schalten als der Auslöser 18. In diesem Fall wird bei Auftreten des unzulässigen Fehlerstroms von den Auswerteeinheiten 8a, 8b zunächst ein Signal geringer Spannung abgegeben, was zu einem Schalten der SiC-Elemente 14 führt. Anschließend wird die bereitgestellte Spannung oder die bereitgestellte Leistung erhöht, so dass sie zum Betäti­ gen des Auslösers 18 ausreicht.

Alternativ hierzu werden die SiC-Elemente 14 und der Auslö­ ser 18 über getrennte Signalleitungen angesteuert, wobei eine Steuereinheit über die verschiedenen Signalleitungen zeitlich gestaffelte Signale sendet (in der Figur nicht dargestellt). Die Steuereinheit ist beispielsweise in den Auswerteeinhei­ ten 8a, 8b integriert oder als deren gemeinsame Steuereinheit ausgeführt.

Zum Wiederanschließen der Leiter 10 an das Leiternetz 11 ist ein Schalthebel 24 vorgesehen, der über die mechanische Ver­ bindung 20 auf die Kontaktelemente 16 einwirkt. Vom Schalt­ hebel 24 führt eine Schaltleitung 26 weg, die an die beiden Auswerteeinheiten 8a, 8b die Schaltstellung des Schalthe­ bels 24 übermittelt. Über die Schaltleitung 26 erfahren die Auswerteeinheiten 8a, 8b, wann der Schalthebel 24 die Kon­ taktschalter 16 wieder geschlossen hat. Die Auswerteein­ heiten 8a, 8b veranlassen daraufhin, dass der Stromdurchfluss durch die SiC-Elemente 14 wieder ermöglicht wird.

Mit der derart gewählten Schaltabfolge zwischen den SiC- Elementen 14 und den Kontaktschaltern 16 ist eine lastfreie und somit schonende Betätigung der Kontaktschalter 16 er­ möglicht.

Die Verwendung der elektronischen Schaltelemente, insbeson­ dere der SiC-Halbleiterbauelemente 14, in der Fehlerstrom- Schutzvorrichtung hat im Hinblick auf die Schaltungsfunktion den wesentlichen Vorteil, dass beliebig viele Schaltvorgänge vorgenommen werden können, ohne dass ein Verschleiß auftritt und ohne dass das Schaltelement gewartet werden muss. Da die SiC-Elemente 14 zudem aufgrund ihrer speziellen robusten Ei­ genschaften auch dauerhaft für hohe Ströme geeignet sind, und da sie im Sperrfall nur einen zu vernachlässigenden Sperr­ strom durchlassen, erlauben die SiC-Elemente 14 einen siche­ ren Betrieb der Fehlerstrom-Schutzvorrichtung insbesondere auch über lange Zeiträume. Sie können zudem in Wechselspan­ nungsnetzen mit unterschiedlichen Frequenzen genauso einge­ setzt werden wie in Gleichspannungsnetzen. Sie eignen sich daher in vorteilhafter Weise für den Einsatz in verschiedenen Stromnetzen.

Die SiC-Elemente 14 gewährleisten einen sicheren Schutz vor gefährlichen Körperströmen ohne entscheidende Sicherheits­ einbußen gegenüber einer galvanischen Trennung der Leiter 10. In einer zum Ausführungsbeispiel alternativen Ausführungsform weist die Schalteinheit 4 zur Schaltfunktion daher aus­ schließlich SiC-Elemente 14 auf. Die redundante Absicherung über Kontaktschalter 16 entfällt demnach bei dieser alterna­ tiven Ausführungsform.

Neben den Vorteilen im Hinblick auf die Schaltfunktion haben die SiC-Elemente 14 zusätzlich eine Schutzfunktion für das Leiternetz 11. Durch eine entsprechende Ausgestaltung werden sie als Überstromschutz eingesetzt. Dies bedeutet zum einen, dass sie bei Auftreten von Überströmen den Stromdurchfluss begrenzen, und zum anderen, dass sie bei einem Überstrom ab einem gewissen Schwellenwert den Stromdurchfluss gänzlich un­ terbinden. Letzteres ist bei Auftreten von Kurzschlussströmen gewünscht. Infolge der strombegrenzenden Wirkung der SiC-Ele­ mente 14 ist zugleich ein thermischer Überlastschutz er­ reicht. Alternativ oder zusätzlich werden die SiC-Elemente 14 durch ihre spezielle Ausbildung als Überspannungsschutz ein­ gesetzt. Bei Einsatz der SiC-Elemente 14 kann daher auf einen separaten Kurzschlusschutz oder thermischen Überlastschutz für das Leiternetz 11 und auf einen thermischen Geräteschutz verzichtet werden, da diese Schutzfunktionen bereits in die SiC-Elemente 14 integriert sind.

Claims (12)

1. Fehlerstrom-Schutzvorrichtung mit einer Erfassungsein­ heit (2) zur Erfassung eines Fehlerstroms in einem Lei­ ter (10) eines Leiternetzes (11) und mit einer auf den Lei­ ter (10) einwirkenden Schalteinheit (4), dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Schalteinheit (4) ein elektro­ nisches Schaltelement (14) zur Unterbrechung des Stromflusses durch den Leiter (10) umfasst.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Schaltelement ein SiC-Halbleiterbau­ element (14) aufweist.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Schaltelement (14) eine Schutz­ funktion für das Leiternetz (11) gegen einen Überstrom, gegen eine Überspannung und/oder gegen eine thermische Überlast bildet.

4. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltele­ ment (14) mit der Erfassungseinheit (2) über eine Signallei­ tung (13) verbunden ist.

5. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (4) zusätzlich zum elektronischen Schaltelement (14) einen me­ chanischen Kontaktschalter (16) aufweist.

6. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schalteinheit (4) derart ausgebildet ist, dass der Kontaktschalter (16) lastfrei schaltet.

7. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Kontaktschalter (16) in einem zur Umgebung abgedichteten Relais (22) integriert ist.

8. Verfahren zum Betreiben einer Fehlerstrom-Schutzvorrich­ tung, die eine Erfassungseinheit (2) zur Erfassung eines Feh­ lerstroms in einem Leiter (10) eines Leiternetzes (11) und eine auf den Leiter (10) einwirkende Schalteinheit (4) auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromfluss durch den Leiter (10) mittels eines elektronischen Schaltele­ ments (14) geschaltet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss mit Hilfe eines SiC-Halbleiterbauele­ ments (14) geschaltet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Schaltelement (14) für einen Über­ stromschutz, für einen Überspannungsschutz und/oder für einen thermischen Überlastschutz des Leitungsnetzes (11) herangezo­ gen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (10) über einen me­ chanischen Kontaktschalter (16) galvanisch vom Leiter­ netz (11) getrennt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, dass das Schaltelement (14) den Stromfluss durch den Leiter (10) zeitlich gesehen vor dem Kontaktschalter (16) ab­ schaltet und nach diesem zuschaltet.