DE69013669T2

DE69013669T2 - Rechnergesteuertes schutzschalterauslösesystem mit einem intelligenten nennwertstecker.

Info

Publication number: DE69013669T2
Application number: DE69013669T
Authority: DE
Inventors: Leon Durivage
Original assignee: Square D Co
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 1995-06-01
Anticipated expiration: 2010-08-25
Also published as: EP0443011B1; DE69013669D1; CA2039716A1; EP0443011A4; MX172898B; WO1991003828A1; IE72209B1; EP0443011A1; US5136457A; JP2810786B2; CA2039716C; IE903137A1; JPH04503149A

Description

Bereich der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft Leitungsschutzschalter allgemein und insbesondere prozessorgesteuerte Auslöseanordnungen für Leitungsschutzschalter.

Technischer Hintergrund

Auslösesysteme dienen dazu, auf Leistungsfehler zu reagieren, die von dem Leitungsschutzschalter erkannt wurden. Die meisten einfachen Auslösesysteme verwenden einen Elektromagneten, um den Schalter bei Fehlern infolge von Kurzschluß oder Überlastung auszulösen. Der Elektromagnet erzeugt, abhängig von dem durch den Leistungsschutzschalter fließenden Strom, ein Magnetfeld. Sobald der Wert des Stroms über einen vorbestimmten Grenzwert ansteigt, löst das Magnetfeld einen Mechanismus aus, der dafür sorgt, daß ein Satz von Kontakten des Leitungsschutzschalters geöffnet wird, wodurch der Stromweg unterbrochen wird.
Viele einfache Auslösesysteme verwenden auch einen langsam ansprechenden Bimetallstreifen, der zum Erkennen eines geringeren Überstromfehlers zweckmäßig ist. Der Grund hierfür ist, daß das Maß der Auslenkung des Streifens die genaue thermische Vorgeschichte des Leitungsschutzschalters widerspiegelt und deswegen auch geringfügige Stromüberlastungen. Im allgemeinen führt die von dem Überlaststrom erzeugte Wärme dazu, daß der Bimetallstreifen in den Auslösemechanismus hineingebogen wird, um den Stromweg zu unterbrechen.
Die oben diskutierten Auslösesysteme sind im allgemeinen für viele einfache Leitungsschutzschalteranwendungen angemessen, jedoch besteht zunehemend Bedarffür ein intelligenteres und flexibles Auslösesystem. Bspw. haben heutzutage viele Industriebetriebe eine Dreiphasen-Stromversorgung, die turnusmäßig eingestellt und überwacht werden muß. Es sind auf Rechnern basierende Auslösesysteme entwickelt worden, um diesem Bedarf Rechnung zu tragen.
Um es zu ermöglichen, daß die Auslösesysteme auf ausgewählte Stromnennwerte oder andere Auslösespezifikationen eingestellt werden, weisen viele Systeme einstellbare Drahtbrücken (Jumper) oder andere Steuereinrichtungen auf. Zusätzlich weisen die Auslösesysteme, um einen weiten Bereich von auswählbaren Stromnennwerten abzudecken, komplexe Kalibrierschaltungen mit vielen Kalibrierausgängen auf. Außerdem sind die Kalibrierschaltungen relativ teuer, denn sie enthalten Präzisionswiderstände zur präzisen Strommessung.
Die US-A-4649455 offenbart eine Nennwertsteckerschaltung zur Verwendung bei einem auf einen Prozessor basierenden Auslösesystem für einen Leitungsschutzschalter, das bei industriell eingestellter Leitungsschutzschalter eines Bereiches verwendet werden kann. Die Stromeinstellung des Leitungsschutzschalters wird durch Bürdewiderstände, die der Nennwertstecker trägt, in Verbindung mit der Auswahl von Anzapfungen eines Stromtransformators eingestellt.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Nennwertsteckschaltkreises zur Verwendung in einem auf einem Prozessor basierenden Leitungsschutzschalter-Auslösesystem mit einem Stromsensor zum Messen des Stromes in einem Stromweg vorgesehen worden, das die Schritte aufweist: es wird eine Anzahl von gedruckten Leitungswegen an unterschiedliche Leitungskontaktstellen auf einer gedruckten Schaltung festgelegt; an die Kontaktstellen auf der gedruckten Schaltungsplatte wird ein elektrischer Verbinder angeschlossen; es wird ein einen ausgewählten Wert aufweisender Widerstand an die gedruckte Schaltungsplatte angeschlossen; und vorbestimmte gedruckte Leitungswege der Anzahl der gedruckten Leitungswege werden unterbrochen, um eine Code zu erzeugen, der den vorbestimmten Wert des Widerstandes anzeigt.
Einem weiterer Aspekt der Erfindung sieht einen Nennwertsteckschaltkreis zum Einstellen eines Stromnennwertes für ein Auslösesystem zur Verwendung in einem auf einem Prozessor basierenden Auslösesystem für Leitungsschutzschalter mit einem Stromsensor zum Messen des Stromes in einem Stromweg vor, mit: einer Leiterplatte; an die Leiterplatte angeschlossenen Widerstandsmitteln, um eine Spannung mit einem vorbestimmten Verhältnis zu dem Wert des gemessenen Stroms zu erzeugen, um so einen zulässigen maximalen Strom festzulegen, der ständigen über den Stromweg fließen darf; einem Verbinder mit einer Anzahl von leitenden Kontaktstellen, um die Leiterplatte mit dem Auslösesystem zu verbinden, um dadurch den maximalen Stromnennwert für das Auslösesystem festzulegen, so daß bei einem Fehlen des Nennwertsteckschaltkreises in dem Auslösesystem das Auslösesystem zu einem minimalen Stromnennwert zurückkehrt; und Codiermitteln, die an die leitenden Kontaktstellen angeschlossen sind, um einen Code zu erzeugen, der das vorbestimmte Verhältnis der Spannung zu dem gemessenen Strom repräsentiert; wobei der Code in der Lage ist, von einem Prozessor über den Verbinder ausgelesen zu werden, um den Stromweg zu analysieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Ziele und Aufgaben der Erfindung erschließen sich beim Lesen der nachstehenden Beschreibung und anhand der beigefügten Figuren:
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen, auf einem Mikroprozessor basierenden Auslösesystems für einen Leitungsschutzschalter;
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Auslösesystems eines Leitungsschutzschalters, wie es in dem Blockdiagramm nach Fig. 1 dargestellt ist;
Fig. 3a zeigt ein Schaltbild für das lokale Anzeigefeld 150 nach Fig. 1;
Fig. 3b zeigt ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Art und Weise, in der der Anzeigeprozessor 316 nach Fig. 3a programmiert werden kann, um die LCD-Ahzeige 322 nach Fig. 3a anzusteuern;
Fig. 4 zeigt ein schematisiertes Schaltbild einer analogen Eingangsschaltung 108 einer Erdungsfehlermeßschaltung 110, einer Verstärkerschaltung 134 und einer Stromversorgung 122 nach Fig. 1;
Fig. 5 zeigt ein Zeitdiagramm unter Veranschaulichung der bevorzugten Art und Weise, in der die von der Verstärkerschaltung 134 erhaltenen Signale durch den Mikroprozessor 120 nach Fig. 1 abgetastet werden;
Fig. 6a zeigt eine Seitenansicht eines Kennwertsteckers 531 nach Fig. 4;
Fig. 6b zeigt eine Draufsicht auf den Kennwertstekker 531 nach Fig. 4;
Fig. 7 zeigt ein schematisches Schaltbild für ein thermisches Gedächtnis 138 nach Fig. 1;
Fig. 8 zeigt ein schematisches Schaltbild für den Rücksetzkreis 124 nach Fig. 1 und
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild für eine Benutzerauswahlschaltung 132 nach Fig. 1.
Obwohl die Erfindung vielfältig abzuwandeln ist, und in unterschiedlichen Formen ausführbar ist, wurde ein spezielles Ausführungsbeispiel in den Figuren exemplarisch gezeigt und nachstehend im einzelnen beschrieben. Es ist jedoch verständlich, daß es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf diese spezielle beschriebene Ausführungsform zu beschränken, sondern, ganz im Gegenteil, soll die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen, wie sie durch die beigefügten Patentansprüche definiert sind.

Der beste Weg zur Ausführung der Erfindung Systemübersicht:

Die vorliegende Erfindung ist unmittelbar zur Überwachung und Unterbrechung eines Stromweges in einem elektrischen Verteilersystem geeignet, und zwar gemäß Spezifikationen, die durch den Benutzer programmierbar sind. Obwohl jede Art von Stromweg aus der vorliegenden Erfindung Nutzen zieht, ist diese besonders geeignet, um einen dreiphasigen Stromweg zu überwachen und zu unterbrechen.
Wenn man sich nun der Zeichnung zuwendet, so zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild eines durch einen integralen Mikroprozessor gesteuerten Auslösesystems 100, das bei einem Drei-Phasenstromweg mit Leitungen 106 verwendbar ist, die Stromversorgungseingänge 102 und Lastausgänge 104 aufweisen. Das Auslösesystem 100 verwendet eine analoge Eingangsschaltung 108 sowie einen Erdschluß- oder Erdungsfehlersensor 110, um in dem Strompfad 106 einen Drei- Phasenstrom zu erkennen. Sobald das Auslösesystem eine Überstrom-, Kurzschluß- oder Erdschluß- bzw. Erdungsfehlerbedingung erkennt oder auf andere Weise feststellt, daß der Stromweg unterbrochen werden sollte, betätigt es eine Magnetspule 112, die einen Satz von Kontakten 114 auslöst, um den Stromweg, über den die Phasen A, B und C führen, zu unterbrechen. In der Folge wird auch jeder Erdschlußstromkreis über den Erdweg oder über einen optionalen Neutralleiter (N) unterbrochen.
Das Auslösesystem 100 nach Fig. 1 verwendet eine Anzahl von Schaltungen, um festzustellen, wann der Stromweg unterbrochen werden sollte. Dieses Feststellen ist in einem Mikrocomputer 120, vorzugsweise einem MC68HC11A1 zentralisiert, der in den Broschüren MC68HC11 HCMOS Single Chip Microcomputer Programmer's Reference Manual, 1985 und MC68HC11A8 Advance Information HCMOS Single Chip Microcomputer, 1985, beschrieben ist, die alle von der Motorola, Inc. Schaumburg, Illinois zu beziehen sind. Die peripheren Schaltungen, die den Mikrocomputer 120 unterstützen, umfassen eine Rücksetzschaltung 124, die die Funktionsfähigkeit des Auslösesystems 100 verifiziert, eine Referenzspannungsschaltung 126, die eine stabile und zuverlässige Referenz für eine Analog-/Digitalwandlerschaltung (A/D) liefert, die in dem Mikrocomputer 120 enthalten ist; einen ROM 128, der die Programmbefehle für den Mikrocomputer 120 speichert und eine konventionelle Adressen- und Datendecodierungsschaltung 130 als Schnittstelle zwischen dem Mikrocomputer 120 und verschiedenen Schaltungen einschließlich dem ROM 128 und einer Benutzerauswahlschaltung 132. Die Adressen- und Datendecodierungsschaltung 130 beispielsweise enthält einen Adressendecoder mit der Bauteilenummer 74HC138 und ein Achtfach-Flipflop, Bauteilbezeichnung 74HC373, um die unteren acht Adressenbits zu speichern, die mit acht Datenbits in der üblichen Weise abwechselnd gemultiplext werden. Der ROM hat beispielsweise die Bauteilbezeichnung 27C64. Die Benutzerauswahlschaltung 132 ermöglicht es dem Benutzer, die Auslösekennwerte für das Auslösessystem 100 festzulegen, beispielsweise Überstrombedingungen und Fehlerbedingungen infolge von Phasenunsymmetrien.
Das Auslösesystem 100 ist betriebsmäßig über Übersteuerungseingangs - und Übersteuerungsausgangsschaltungen 105 und 107 an ein übliches Stromverteilersystem (nicht dargestellt) angeschlossen. Signale, die von der Übersteuerungseingangsschaltung 105 erhalten werden, zeigen an, daß ein in Leistungsflußrichtung gelegener Leitungsschutzschalter sich in einem Überlastzustand (oder Überstromzustand) befindet. Die Übersteuerungsausgangsschaltung 107 wird verwendet, um Signale an einen entgegen der Leistungsflußrichtung gelegenen Leitungsschutzschalter zu übermitteln, um den Zustand seiner eigenen und die Zustände aller in Leistungsflußrichtung gelegenen Leitungsschutzschalter anzuzeigen. Im allgemeinen verzögert das Auslösesystem 100 das Auslösen der Kontakte 111, wenn sich ein in Leistungsflußrichtung gelegener Leitungsschutzschalter in einem Überlast-(oder Überstrom-)Zustand befindet, weil angenommen wird, daß der in Leistungsflußrichtung gelegene Leitungsschutzschalter öffnet und den Zustand bereinigt. Sonst sollte das Auslösesystem 100 das Auslösen der Kontakte 114 nicht verzögern. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten zu den Übersteurungsseingangs-/Übersteuerungsausgangsschaltungen bei elektrischen Verteilersystemen ist auf das US-Patent 4 706 155 von Durivage et al. Bezug genommen.
Andere Schaltungen werden zusammen mit den obigen Schaltungen verwendet, um die Zuverlässigkeit und Integrität des Auslösesystems 100 zu erhalten. Beispielsweise verwendet der Mikrocomputer 120 die Analogeingangsschaltung 108 zusammen mit einer Verstärkungsschaltung 134, um exakt den Effektivwert des Stromes in jeder Phase des Netzes 106 zu messen. Die Genauigkeit dieser Messung wird selbst bei nichtlinearen Lasten beibehalten.
Die analoge Eingangsschaltung 108 erzeugt Phasensignale A', B' und C', die für den Strom in den Leitungen 106 repräsentativ sind. Die Verstärkerschaltung 134 verstärkt jedes Phasensignal A', B' und C' mittels jeweils zweier Verstärkungsabschnitte, woraus der Mikrocomputer 120 unter Verwendung seines A/D-Wandlers das jeweils verstärkte Signal ermittelt. Durch Verwendung zweier Verstärkungsstufen für jedes Signal A', B' und C' kann der Mikrocomputer 120 sofort für jede Netzphase, abhängig von der erforderlichen Auflösung zu jedem gegebenen Zeitpunkt, eine Messung mit hoher oder niedriger Verstärkung ausführen.
Die Eingangsanalogschaltung 108 wird auch dazu verwendet, eine zuverlässige Stromquelle für das Auslöse-System 100 zu erhalten. Unter Verwendung des von den Leitungen 106 abgeleiteten Stroms arbeitet die Eingangsanalogschaltung 108 mit einer Stromversorgung 122 zusammen, um drei Spannungen (VT, +9V und +5V) für das Auslösesystem 100 zu liefern. Das Spannungssignal VT wird von dem Mikrocomputer 120 über die Decodierschaltung 130 überwacht, um die Systemabhängigkeit zu verbessern.
Die Systemabhängigkeit wird ferner durch die Verwendung eines thermischen Gedächtnisses 138 verbessert, mit dem der Mikrocomputer 120 zusammenarbeitet, um einen Auslenkungsmechanismus mit Bimetall zu simulieren. Das thermische Gedächtnis 138 liefert eine genaue Sekundärabschätzung der Wärme in dem Auslösesystem 100 für den Fall, daß die Stromzufuhr zu dem Mikrocomputer 120 unterbrochen ist.
Der Erdungsfehlersensor 110 wird dazu verwendet, das Vorhandensein von Erdschluß- oder Erdungsfehlern bei einer oder mehreren der Leitungen 106 zu erkennen und diese Fehler an den Mikrocomputer 120 weiterzumelden. Unter Verwendung der vom Benutzer ausgewählten Auslösecharakteristiken bestimmt der Mikrocomputer 120, ob der Erdungsfehler genügend lange mit einer ausreichenden Stärke vorhanden war, um die Kontakte 114 auszulösen oder ob dies nicht der Fall war. Der Mikrocomputer 120 akkumuliert die Erdungsfehlerverzögerungszeit in seinem internen RAM. Eine RAM-Pufferschaltung 140 wird dazu verwendet, um eine bestimmte Zeit lang während der Stromzufuhrunterbrechung die Erdungsfehlerhistorie zu konservieren.
Die RAM-Pufferschaltung 140 verwendet die in dem Mikrocomputer 120 eingebaute Fähigkeit, den Inhalt seines internen RAM zu halten, vorausgesetzt, daß eine externe Versorgungsspannung an seinem MOPDB/Vstby-Eingang 141 anliegt. Diese externe Versorgungsspannung wird in einem 150 uF Elektrolytkondensator 143 gespeichert, der von der 9V-Versorgungsspannung über einen 6,2 kΩ Widerstand geladen wurde. Der Kondensator 143 wird aus der + 9V-Versorgungsspannung geladen und mittels Dioden auf + 5V-Versorgungsspannung festgeklemmt, so daß er beim Einschalten des Stroms schnell geladen wird.
Die in dem internen RAM gespeicherte Verzögerungszeit für den Erdungsfehler wird bedeutungslos, wenn die Stromunterbrechung länger als etwa 3,6 Sekunden gedauert hat. Um herauszufinden, ob eine solche Unterbrechung aufgetreten ist, enthält die RAM-Pufferschaltung 140 ein Analogzeitglied 149 aus einem Widerstand 161 und einem Kondensator 153, die eine bestimmte Zeitkonstante realisieren, sowie einen invertierenden Schmitt-Trigger 155, um zu messen, ob die Stromversorgung für den Mikrocomnputer 120 lange genug unterbrochen war, damit sich der Kondensator 153 entladen konnte. Kurz nachdem der Mikrocomputer das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 155 während des Einschaltens des Stromes auswertet, wird der Kondensator 153 über eine Diode 157 und einen Pull-up-Widerstand 159 nachgeladen. Bevorzugte Bauteilewerte und Komponententypen sind beispielsweise 365 kΩ für den Widerstand 161, 10uF für den Kondensator 153, als Schmitt-Trigger 155 das IC 74HC14, als Diode 157 die Diode 1N4148 und 47 kΩ für den Widerstand 159.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt für das Auslösesystem 100 ist seine Fähigkeit, Informationen zwischen sich und dem Anwender auszutauschen. Zu diesen Informationen gehören die Real-Time-Strom- und Phasenmessungen auf den Leitungen 106, die Systemkonfiguration des Auslösesystems 100 und Informationen zu der Historie von Auslösegründen (Gründe warum der Mikrocomputer 120 die Kontakte 114 ausgelöst hat). Wie oben erwähnt, sind die Real-Time- Messungen an der Phase zufolge der Verwendung der Eingangsanalogschaltung 108 und der Verstärkungsschaltung 134 exakt bestimmt. Die Systemkonfiguration des Auslösesystems 100 und andere verwandte Informationen sind ohne weiteres aus dem ROM 128 und der Benutzerauswahlschaltung 132 zu erhalten. Die Informationen über die Historie der Auslösegründe ist aus einem nicht flüchtigen Auslösespeicher 144 zu bekommen. Informationen dieser Art werden für den Benutzer entweder lokal auf einem lokalen Display 150 oder entfernt hiervon an einem konventionellen Anzeigetableau 162 über ein Interface 160 dargestellt. Um mit dem Anzeigetableau 162 zu kommunizieren, benutzt das Anzeigesystem ein asynchrones Kommunikationsinterface, das sich in dem Mikrocomputer 120 befindet. Bei Einsatz des MC68HC11 kann das serielle Kommunikationsinterface (SCI) verwendet werden.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Auslösesystems 100, wie es in einem Leitungsschutzschaltergehäuse oder -rahmen 210 verwendet wird. Die Leitungen 106, auf denen die Phasenströme A, B und C fließen, führen, wie dargestellt, durch die in der Leitung eingebetteten Stromwandler 510, 512 und 514 (in gestrichelten Linien), die Teil der Eingangsanalogschaltung 108 sind. Wenn die Magnetspule 112 (ebenfalls in gestrichelten Linien gezeigt) den Stromweg in den Leitungen 106 unterbrochen hat, kann der Benutzer den Stromweg mit einem Handhebel 220 des Leitungsschutzschalters wieder herstellen.
Abgesehen von dem Handhebel 220 für den Leitungsschutzschalter ist das Interface zwischen dem Auslösesystem 100 und dem Benutzer in einem Schalterpaneel 222, einem LCD-Anzeigetableau 300 und einem Kommunikationsport 224 untergebracht. Das Schalterpaneel 222 enthält Zugangsöffnungen 230, damit der Benutzer die binärcodierten Dezimalauswahlschalter (BCD) (Fig. 8) der Benutzerauswahlschaltung 132 einstellen kann. Der Kommunikationsport 224 kann dazu benutzt werden, über eine optische Verbindung (nicht dargestellt) Informationen an den Anzeigeanschluß 162 zu liefern.
Das Auslösesystem 100 ist in den nachfolgenden Abschnitten im einzelnen beschrieben.

A. Lokale Anzeige

Fig. 3a zeigt ein schematisiertes Schaltbild für die lokale Anzeige 150 nach Fig. 1. Die lokale Anzeige 150 ist von dem restlichen Teil des Auslösesystems 100 physisch getrennt, jedoch damit über konventionelle Anschlußeinrichtungen 310 verbunden. Die Anschlußeinrichtung 310 umfaßt eine Vielzahl von Kommunikationsleitungen 312, die von dem Mikrocomputer 120 zu der lokalen Anzeige 150 führen. Zu diesen Leitungen 312 gehört die Masse des Auslösesystems, das 5V-Signal von der Stromversorgung 122, serielle Kommunikationsleitungen 314 für einen Anzeigeprozessor 316 und Datenleitungen 318 für einen Zwischenspeicher 320. Die Datenleitungen 318 umfassen vier Auslöse-Anzeigeleitungen (Überlast, Kurzschluß, Massefehler und Phasenunsymmetrie), die mittels noch einer weiteren Leitung 318 in den Zwischenspeicher 320 eingetaktet werden.
Ein LCD-Display 322 zeigt die Zustandsinformationen an, die von dem Zwischenspeicher 320 und dem Anzeigeprozessor 316 geliefert werden. Unterschiedliche Bereiche der LCD-Anzeige 322 können implementiert sein, indem eine Vielzahl von Anzeigen einschließlich einer statisch/multiplex angesteuerten, kundenspezifischem oder halbkundenspezifischen Kombinations-LCD verwendet wird, die von Hamlin, Inc., Lake Mills, Wisconsin, zu beziehen ist. Für weitere Informationen über kundenspezifische oder halbkundenspezifische Anzeigen wird auf eine Broschüre Bezug genommen, die von Hamlin, Inc. zu erhalten ist und den Titel trägt "Liquid Crystal Display".
Der Zwischenspeicher 320 steuert die Bereiche 370- 373, um jeweils die oben ausgeführte Auslösebedingung anzuzeigen. Jedes dieser Bereiche 370-373 wird durch den Zwischenspeicher 320 unter Verwendung einer LCD-Treiberschaltung 326 und einer Oszillatorschaltung 328 angesteuert. Der entsprechende Bereich 370-373 leuchtet auf, wenn das zugehörige Ausgangssignal des Zwischenspeichers 320 sich im Zustand 320 logisch high befindet.
Der Anzeigeprozessor 316 steuert vier Sieben-Segmentanzeigen 317 als Amperemeter, um den Strom auf den Leitungen 106 anzuzeigen. Der Anzeigeprozessor 316 ist beispielsweise ein IC mit der Bezeichnung UPD87502 LCD Controller/Driver und enthält einen Vier-Bit-CMOS-Mikroprozessor und ein 2k ROM. Dieser Baustein der Firma NEC ist in NEC UPD7501/02/03 CMOS 4-Bit Single Chip Microprocessor User's Manual beschrieben, zu beziehen von NEC, Mountain View, Ca. Andere Bereiche 375 des LCD-Displays 322 können von dem Displayprozessor 316 oder durch andere Einrichtungen angesteuert werden, um verschiedene Zustandsmeldungen darzustellen.
Beispielsweise kann ein Drucktaster 311 verwendet werden, um eine Batterie 338 zu prüfen. Um diesen Test durchzuführen, wird die Batterie 338 über eine Diode 313 an einen der Bereiche 375 angeschaltet, damit, wenn der Schalter 311 niedergedrückt wird, der Zustand der Batterie angezeigt wird. Der Drucktastenschalter 314 setzt, wenn er betätigt wird, vorzugsweise den Zwischenspeicher 320 zurück. Zu diesem Zweck aktiviert der Schalter 311 einen Transistor 315. Der Zwischenspeicher ist beispielsweise ein IC mit der Typenbezeichnung 40174.
Außerdem kann der Schalter 311 dazu verwendet werden, um die Phase des auf dem LCD-Display 322 angezeigten Stroms auszuwählen, um die Segmente 375 so zu steuern, daß sie die Phase des Stroms (A, B, C oder N) auf den Leitungen 106 identifizieren, der auf den vier Sieben-Segmentanzeigen 317 angezeigt wird. Zu diesem Zweck aktiviert der Schalter 311 einen Transistor 327, um ein Signal zu invertieren, das von der Batterie kommt und um den Anzeigeprozessor 316 zu unterbrechen. Jedes Mal, wenn der Anzeigeprozessor 316 unterbrochen wird, ändert sich die angezeigte Phase, beispielsweise wechselt die Anzeige von Phase A auf die Phase B, von hier auf die Phase C, von hier auf den Erdungsfehler, von hier auf A usw.
Ein optionales Balkensegment 324 ist in dem LCD-Display 322 enthalten, um anzuzeigen, wieviel Prozent des maximal zulässigen, ständig fließenden Stromes in dem Stromweg auftritt. Das Balkensegment 324 wird über einen getrennten LCD-Treiber 330 durch das +5V-Signal gesteuert. Der LCD-Treiber 330 arbeitet in Verbindung mit der Oszillatorschaltung 328 in derselben Weise wie der LCD-Treiber 326. Jedoch arbeiten der LCD-Treiber 330 und die Oszillatorschaltung 328 mit einer verhältnismäßig niedrigen Betriebsspannung etwa 2 bis 3 V. Als LCD-Treiber 330 und 326 kann ein IC mit der Typenbezeichnung MC14070 von Motorola, Inc. verwendet werden. Wenn das Auslösesystem nicht mehr in der Lage ist, den Anzeigeprozessor 316 in ausreichendem Maße mit Strom zu versorgen, ist somit der LCD-Treiber 330 immer noch in der Lage, das Balkensegment 324 anzusteuern. Der LCD-Treiber 330 steuert das Balkensegment 324 immer dann an, wenn das Auslösesystem feststellt, daß auf einer der Leitungen 106 weniger als 20% des eingestellten Stromauslösewertes fließt.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Balkenanzeige 324 durch Abtrennen des LCD-Treibers 330 gesperrt werden.
Weitere Balkensegmente 332-335 werden von dem Anzeigeprozessor 316 angesteuert, um jeweils anzuzeigen, wenn wenigstens 20% bis 40%, 40% bis 60%, 60% bis 80% und 80% bis 100% des eingestellten Auslösestromes auf einer der Leitungen 106 zum Verbraucher fließen.
Der Oszillator 328 enthält ein IC, ebenfalls mit der Typenbezeichnung MC14070 in einer Standard-CMOS-Oszillatorschaltung mit den Widerständen 329, 336 sowie einem Kondensator 331, wobei die Werte beispielsweise 1MΩ, 1MΩ bzw. 0,001 uF sind.
Selbst wenn ein Stromfehler bewirkt, daß das System auslöst und der Strom auf den Leitungen 106 unterbrochen wird, ist die lokale Anzeige noch in der Lage, in beschränktem Umfang zu arbeiten. Die weiterhin mögliche Funktion wird durch die Verwendung einer Batterie 338 als sekundäre Stromquelle gewährleistet. Diese Batterie ist z.B. eine 3 bis 3,6V Lithiumbatterie mit einer vorgesehenen Lebensdauer von 17 Jahren. Die Batterie 338 liefert an die Teile der lokalen Anzeige 150 nur dann Strom, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind: (1) Der Zwischenspeicher 320 hat ein Auslösesignal seitens des Mikrocomputers 120 erhalten (oder der Testschalter 311 ist aktiviert), und (2) die Ausgangsspannung der +5V Stromversorgung ist kleiner als die Spannung der Batterie 338. Wenn der Zwischenspeicher 320 von einer der vier Auslöse-Anzeige- Leitungen der Datenleitungen 318 ein Signal übernimmt, wird ein Steuersignal auf einer Zwischenspeicherausgangsleitung 340 erzeugt. Das Steuersignal schaltet einen elektronischen Schalter 342 ein, damit die Batterie 338 solange Spannung in Höhe von Vcc liefern kann, wie die Diode 344 in Vorwärtsrichtung betrieben wird.
Die Diode 344 wird in Vorwärtsrichtung betrieben, sobald die zweite Bedingung auch vorhanden ist. Wenn somit die Ausgangs spannung 5V Stromversorgung kleiner ist als die Spannung der Batterie 338, wird die Diode 344 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und die Batterie 338 liefert Strom an die lokale Anzeige 150. Außerdem wird die Diode 344 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, bis ein Schalter 346 durch eine "Strom-EIN-Schaltung" 348 aktiviert wird, damit die 5V Versorgungsspannung Spannung mit Vcc liefert. Die Strom-EIN-Schaltung 348 aktiviert den elektronischen Schalter 346 nur, nachdem der Anzeigeprozessor 316 zurückgesetzt wurde. Die Strom-EIN-Schaltung 348 ist z.B. ein IC mit der Typenbezeichnung ICL7665, das zusammen mit Widerständen 349, 351 und 353 arbeitet, die die Werte 620 kΩ 300 kΩ bzw. 10 MΩ haben.
Von Vcc wird Strom nur an den Zwischenspeicher 320, den LCD-Treiber 326, den LCD-Treiber 330 und die Oszillatorschaltung 328 geliefert. Der LCD-Treiber 330 und die Oszillatorschaltung 328 erhalten Strom entweder von der Batterie 338 oder über Dioden 350 und 352 von der +5V Stromversorgung. Diese Anordnung minimiert die Stromentnahme aus der Batterie 338, während andererseits der Anwender die Möglichkeit erhält, den Zustand des Auslöse- Systems 100 während jeder Stromfehlersituation anzuschauen.
Aus der Batterie 338 kann keine Leistung entnommen werden, wenn die Batterie 338 nicht mit dem restlichen Teil des Auslösesystems über den Anschluß 310 verbunden ist, da der Anschluß 310 die Masseverbindung für den negativen Anschluß der Batterie 338 darstellt. Dieses Merkmal der lokalen Anzeige 150 verlängert zusätzlich Leben der Batterie und minimiert somit die Systemwartung.
Fig. 3b zeigt ein Flußdiagramm für die bevorzugte Programmierung des Anzeigeprozessors 316. Das Flußdiagramm beginnt bei einem Block 376, an dem der interne Speicher des Display-Prozessors initialisiert wird. Zu der Speicherinitialisierung gehört das Bereinigen des internen RAM, der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse und des Interrupt- Registers und der Kellerregister.
Bei Block 378 wird ein Software-Zeitglied zurückgesetzt und der Displayprozessor wartet auf eine Datenfertigmarke (data ready flag), die anzeigt, daß von dem Mikrocomputer 120 nach Fig. 1 Daten empfangen wurden. Der Software-Timer erbringt die übliche softwaremäßige Watchdog-Funktion, um die Funktionsfähigkeit des Displayprozessors zu erhalten. Wenn der Software-Timer nicht periodisch zurückgesetzt wird (innerhalb einer bestimmten Zeitspanne), setzt sich der Displayprozessor selbst zurück. Das data ready flag wird in einer Unterbrechungsroutine, die durch die Blöcke 390 bis 398 aus Fig. 3b dargestellt ist, gesetzt. Der Displayprozessor ist so programmiert, daß er die Interrupt-Routine ausführt, wenn er Daten von dem Mikroprozessor 120 aus Fig. 1 erhält. Bei Block 390 der Interrupt-Routine wird ein Test durchgeführt, um festzustellen, ob das Datenbyte, das gerade empfangen wurde, das letzte Datenbyte eines Paketes ist, das von dem Mikrocomputer ausgesandt wurde. Wenn das gerade erhaltene Datenbyte noch nicht das letzte Datenbyte ist, geht der Ablauf mit Block 398 weiter, bei dem ein Befehl zur Rückkehr aus dem Interrupt ausgeführt wird. Wenn das gerade erhaltene Datenbyte das letzte Datenbyte ist, fährt das Programm bei Block 392 fort.
Bei Block 392 wird ein Test ausgeführt, um die Integrität des erhaltenen Datenpakets zu überprüfen. Dies geschieht, indem die 8-Bit-Summe der zuvor empfangenen 7 Bytes mit dem zuletzt empfangenen Byte (last byte) verglichen wird. Wenn die 8-Bit-Summe und das letzte Byte unterschiedlich sind, fährt das Programm bei Block 398 fort. Wenn die 8-Bit-Summe und das letzte Byte gleich sind, wird von dem Displyprozessor das vorerwähnte data ready flag, wie in Block 396 dargestellt, gesetzt und der Anzeigeprozesor kehrt aus dem Interrupt über Block 398 in den Block 380 zurück.
Bei Block 380 werden die empfangenen Daten in einem Speicher gespeichert und das data ready flag wird zurückgesetzt.
An den Blöcken 382 und 384 verwendet der Displayprozessor eine gebräuchliche Invertierungstechnik, um die gespeicherten Daten in ein BCD-Format zur Ausgabe auf der LCD-Anzeige 322 nach Fig. 3a umzuwandeln. Die Daten, die ausgesendet werden, und auf der LCD-Anzeige 322 angezeigt werden, werden durch den Benutzer mittels des Schalters 311 ausgewählt, um sequentiell alle drei Phasenströme und den Erdfehlerstrom auszuwählen, wie dies in den Daten angezeigt wird, die von dem Mikrocomputer 120 nach Fig. 1 erhalten werden.
Bei Block 386 verwendet der Anzeigeprozessor die empfangenen Daten einschließlich der Sensoridentifikation, des Kennwertsteckertyps und des Langzeitaufnahmewerts, um den Prozentwert des auf den Leitungen 106 nach Fig. 1 fließenden Stroms gegenüber dem eingestellten Auslösewert zu bestimmen. Die Balkensegmente (324 und 332-335 nach Fig. 3a) werden bei Block 388 von dem Displayprozessor in Abhängigkeit von dieser Überprüfung angesteuert. Aus dem Block 388 kehrt das Programm zum Block 378 zurück.
Die Blöcke 400-406 aus Fig. 3b veranschaulichen eine zweite Interrupt-Routine, die in dem Anzeigeprozessor programmiert sein kann und die nach der Betätigung des Schalters 311 auszuführen ist. Bei Block 400 dieser zweiten Interrupt-Routine bestimmt der Anzeigeprozessor, den Strom welcher Phase (oder Erdungsfehler) der Benutzer durch Niederdrücken des Schalters 311 ausgewählt hat. Der Anzeigeprozessor überwacht bei den Blöcken 402 und 404 seine E/A-Ports, um festzustellen, wann der Schalter 311 losgelassen wurde, und um das von dem Schalter 311 erhaltene Signal zu entprellen. Beim BLock 406 führt der Anzeigeprozessor eine Rückkehr von dem Interrupt-Befehl aus.
Es ist zu beachten, daß der Anzeigeprozessor 316 für die lokale Anzeige 150 optional ist und deswegen für dessen Funktion nicht erforderlich ist. Ferner ist die lokale Anzeige 150 für das Anzeigesystem selbst optional und nicht nötig, um das Auslösesystem zu betreiben.

B. Strom- und Erdungsfehlererkennung

Fig. 4 zeigt in weiteren Einzelheiten die Eingangsanalogschaltung 108, den Erdungsfehlersensor 110, die Stromversorgung 122 und die Verstärkerschaltung 134 nach Fig. 1. Jede dieser Schaltungen bekommt Strom aus den 3 Phasenstromleitungen 106. Unter Verwendung dieser elektrischen Energie liefern diese Schaltungen Signale, aus denen das Auslösesystem 100 (1) die Phase und die Größe des Stroms auf den Leitungen 106 bestimmt, (2) das Vorliegen eines Erdungsfehlers erkennt, (3) den Strom für das System liefert und (4) die Stromwerte einstellt.

(1) Bestimmung der Phase und der Stromwerte

Gemäß Fig. 4 enthalten die Eingangsanalogschaltung 108 und der Erdungsfehlersensor 110 Stromwandler 510, 512 und 514, die in geeigneter Weise neben den Leitungen 106 angeordnet sind, um elektrische Energie aus einer jeweiligen Phase A, B oder C zu erhalten. Jeder Stromwandler 510, 512 und 514 ist so gestaltet, daß er ein Stromausgangssignal erzeugt, das in einem festen Verhältnis zu dem Primärstrom proportional ist. Dieses Verhältnis ist so eingestellt, daß, wenn der Primärstrom bei 100% der eingestellten Stromgröße (oder Sensorgröße) beträgt, der Stromwandler einen Ausgangsstrom mit einem festen Wert liefert. z.B. erzeugt jeder Stromwandler 510, 512 und 514 bei einem 220 A Leitungsschutzschalter dasselbe Stromausgangssignal, wenn er bei 100% (200 A) arbeitet, wie ein Stromwandler in einem Leitungsschutzschalter für 4000 A, wenn er mit 100% (4000 A) beaufschlagt wird. Die bevorzugte Bemessung führt zu einem Ausgangsstrom des Stromwandlers von 282,8 mA (eff), wenn der Primärstrom bei 100% des bemessenen Stromes liegt.
Die von den Wandlern 510, 512 und 514 erzeugten Ausgangsströme fließen durch einen Toroid oder Ringkern 508 zum Messen eins Erdungsfehlers über Vollwellenbrückengleichrichter 516, 518 und 520 sowie die Stromversorgung 122 zur Masse des Auslösesystems. Die Ausgangsströme fließen von der Masse des Auslösesystems über eine Anordnung 530 aus Bürdenwiderständen zurück. Der Toroid 508 zum Messen eines Erdungsfehlers summiert die Ausgangsströme der Wandler 510, 512 und 514. Bei einem System mit Neutralleiter 506 (N) summiert der Toroid zum Ermitteln von Erdungsfehlern auch den Ausgangsstrom eines Wandlers 506, der an den Neutralleiter (N) angeschlossen ist, um jeden zurückließenden Strom zu erfassen. Ein Signal, das diese Stromsummation repräsentiert, entsteht an einer Ausgangswicklung 509 und gelangt zu einer vierten Gleichrichterbrücke 522. Die Gleichrichterbrücke 522 dient dazu, Erdungsfehlerbedingungen zu erkennen und wird im zweiten Teil dieses Abschnitts erläutert.
Auf der rechten (positiven) Seite der Gleichrichterbrücken 516-522 werden positive Phasenstromsignale abgeliefert und an einer Leitung 524 zusammenaddiert. Der Strom auf der Leitung 524 wird für die Stromversorgung 122 verwendet, die im dritten Teil dieses Abschnitts beschrieben ist.
Auf der linken (negativen) Seite der Gleichrichterbrücken 516-520 werden die negativen Phasenstromsignale von der Anordnung 530 aus Bürdewiderständen und der Masse des Auslösesystems aufgenommen und über die Stromversorgung 122 zu den Gleichrichterbrücken 516-520 zurückgeleitet. Dieser Stromweg erzeugt Spannungssignale A', B' und C' jeweils als Bürdenspannung bezeichnet zwecks Messung durch den Mikrocomputer 120 mittels der Verstärkungsschaltung 134.
Gemäß Fig. 4 werden die Signale A', B' und C' an die entsprechenden beiden Verstärkungsabschnitte zur Invertierung und Verstärkung geliefert. Von der Verstärkerschaltung 134 aus Fig. 4 ist einer ihrer jeweils drei identischen Blöcke mit zwei Verstärkungsabschnitten bei 533 ausführlich dargestellt. In den Abschnitt 533 mit zwei unterschiedlichen Verstärkungen wird das Phasensignal A' eingespeist. Jeder Block mit zwei Verstärkungen enthält zwei Tiefpaßfilter 532 und zwei Verstärker 534 und 536. Die Tiefpaßfilter 532 unterdrücken Störsignale und die Verstärker 534 und 536 vermindern die Signalamplitude um den Faktor 0,5 bzw. erhöhen die Signalamplitude um den Faktor 3 entsprechend der gewünschten Auflösung. Diese Anordnung ermöglicht es dem Mikrocomputer 120, sofort die Stromwerte zu messen, ohne Zeit zum Ändern der Verstärkung zu vergeuden. Bevorzugte Komponentenwerte sind z.B. 10 kΩ für die Widerstände 541, 543, 545, 553 und 555; 4,75 kΩ für die Widerstände 547 und 559; 60 kΩ für die Widerstände 557; sowie 0,03 uF für die Kondensatoren 549 und 561. Die Verstärker 551 und 563 sind beispielsweise LM124.
Unter Verwendung der Verstärkungsschaltung 134 mißt der Mikrocomputer 120 den echten Effektivwert des Stroms auf den Leitungen 106, indem die Bürdenspannungen, aus denen die Signale A', B' und C' entwickelt sind, abgetastet werden. Die Berechnung des Effektivwertes basiert auf der Gleichung:
wobei gilt:
N = Anzahl der Abtastungen;
t = Zeit an diskreten Intervallen (durch die Abtastrate bestimmt); und
I(t) = der Momentanwert des Stromes, der durch den Leitungsschutzschalter fließt.
Der Strom, der durch den Leitungsschutzschalter fließt, wird in festen Zeitabständen gemessen, um hieraus I(t) zu erhalten. Der Wert dieser momentanen Stromabtastungen wird quadriert und mit den anderen quadrierten Abtastwerten bis zu einer festen Anzahl N an Abtastwerten aufsummiert. Der Mittelwert dieser Summation wird durch Division mit N erhalten. Schließlich wird der effektive Stromwert als Quadratwurzel des Mittelwertes erhalten.
In Fig. 5 ist ein Beispiel einer gleichgerichteten sinusförmigen Stromschwingung über 1,5 Perioden eines 60 Hz Signals mit einer Scheitelamplitude von 100 A dargestellt. Der abgetastete Strom ist vollwellengleichgerichtet. Die vertikalen Linien repräsentieren die diskreten Zeitpunkte, zu denen der Stromwert abgetastet wird. Bei einer Abtastrate von 0,5 ms werden in einer Zeitspanne von 25 ms 50 Abtastungen vorgenommen.
In Tabelle sind sind die Daten der Abtastungen nach Fig. 4 in der Spalte mit der Bezeichnung I(t) (A) veranschaulicht. Die Spalte mit der Bezeichnung I(t) QUADRIERT (A) enthält die quadrierten Werte und die Spalte mit der Bezeichnung Summation (A) zeigt die Akkumulation der quadrierten Werte über die Zeit. Der Mittelwert der Summation ist in Tabelle 1 unten angegeben und gleicht der schlußendlich erhaltenen Akkumulation dividiert durch die Anzahl der Abtastungen bzw. durch 50. Die Quadratwurzel aus diesem Wert ergibt 70,7106854, womit der Fehler kleiner als 0,000.01 % ist.
Die anderen Spalten aus Tabelle 1 listen die binären Äquivalente der Daten auf, die der Mikroprozessor verarbeiten würde, wenn eine Relation verwendet wird, bei der 100 A binär 255 entsprechen würde.
Der Wert Ieff spiegelt exakt die Wärmeerzeugungswirkung des Stromsignals wieder, das zwischen t = 0 und t = N auftritt. Dieses Stromsignal ist typischerweise eine Wechselstromschwingung mit einer Grundfrequenz zwischen 50 Hz und 60 Hz, kann aber viele höhere Harmonische (d.h. Vielfache der Grundfrequenz) enthalten.
Bei praktischen Anwendungen beeinflussen verschiedene Faktoren die Genauigkeit der Berechnung von Ieff, nämlich die Abtastrate und die Anzahl der Abtastungen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Abtastrate 2.000 Hz und es werden wenigstens 128 Abtastungen vorgenommen, ehe die Stromamplitude berechnet wird.

(2) Erkennen des Auftretens eines Erdungsfehlers

Der Toroid 508 zum Messen des Erdungsfehlers addiert magnetisch die Stromsignale aus den Eingangswicklungen 540, 542 , 544 und 546, um anzuzeigen, ob ein Erdungsfehler auf den Leitungen 196 vorhanden ist oder nicht. Der Toroid 504 ist mit vier identischen Eingangswicklungen 540, 542, 544 und 546 aufgebaut; eine für jeden Stromwandler 510, 512 und 514 und eine optionale für den Stromwandler 506 im Neutralleiter. Der Toroid oder Ringkern 508 trägt eine einzige Ausgangswicklung 509, die ein summiertes Stromsignal abgibt.
Der Ringkern oder Toroid 508 zum Messen eines Erdungsfehlers enthält noch eine weitere Wicklung 550, damit ein Testsignal an Anschlüssen 552 eingespeist werden kann. Mittels eines Momenttasters 554 erzeugt das Testsignal einen scheinbaren Erdungsfehler für das Auslösesystem. Das Auslösesystem reagiert auf diesen scheinbarenoder Pseudoerdungsfehler in derselben Weise wie auf einen echten Erdungsfehler. Die Testwicklung 550 ist durch einen Widerstand 556 mit positivem Temperaturkoeffizienten geschützt, der seinen Widerstand in dem Maße erhöht, in dem er sich erwärmt, womit der Strom durch ihn und die Wicklung 550 begrenzt ist. Der Widerstand mit dem positiven Temperaturkoeffizienten ist beispielsweise eine Keystone PTC Resettable Fuse mit der Bezeichnung RL3510-110-120-PTF. Die Wicklung 550 macht einen gesonderten Testwandler überflüssig, der bei Systemen nach dem Stand der Technik verwendet wurde.
Die Funktionsweise des Toroids 508 zur Erkennung des Erdungsfehlers ist am besten durch Betrachtung der Funktionsweise des Auslösesystems beim Auftreten eines Erdungsfehlers und ohne Erdungsfehler zu verstehen. In einem symmetrischen Dreiphasensystem ohne Erdungsfehler ist die Größe des Stroms in jeder Phase gleich, jedoch um 120 Grad gegenüber der Phasenlage in der anderen Phase gedreht, während kein Strom im Neutralleiter auftritt; somit gibt die Ausgangswicklung 509 keinen Strom ab. Wenn der Strom einer Phase (A, B oder C) ansteigt, ist der Strom auf dem Neutralleiter vektoriell gleich hinsichtlich der Größe, jedoch in der Richtung umgekehrt zu dem Anstieg des Phasenstromes, womit die magnetischen Summenbildung nach wie vor null liefert. Wenn ein Erdungsfehler auftritt, fließt Strom über einen unerwünschten Weg zu einem geerdeten Gegenstand, wobei er an dem Neutralleiterstromwandler 506 vorbei fließt, was ein Stromsignal in dem Wandler 509 hervor ruft. Der Wandler 509 erzeugt somit ein Stromsignal nur, wenn Erdungsfehler vorhanden sind.
Das Stromsignal aus dem Ausgangswandler 509 des Toroid 508 zur Erkennung eines Erdungsfehlers fließt durch die Gleichrichterbrücke 522, die Stromversorgung 120 und über die Anordnung 530 aus Bürdewiderständen zurück. Die Anordnung 530 aus Bürdewiderständen und die Gleichrichterbrücke 522 wandeln das Stromsignal in ein gleichgerichtetes Wechselspannungssignal 558, das gegenüber der Masse des Auslösesystems invertiert ist, und das eine Spannung aufweist, die zu dem Strom in dem Wandler 509 proportional ist.
Das gleichgerichtete Wechselspannungssignal 558 wird durch das Filter 560 zwecks Störspannungsunterdrückung gefiltert und sodann unter Verwendung eines Analoginverters 562 invertiert. Von dem Analoginverter 562 wird ein nach plus gehendes Signal an den A/D-Eingang des Mikrocomputers 120 geliefert. Der Mikrocomputer 120 mißt die Scheitelwerte des Ausgangssignals des Analoginverters 562, um das Auftreten eines Erdungsfehlers zu erkennen. Von dem Mikrocomputer 120 wird ein gebräuchlicher Spannungsteilerschalter 564 gesteuert, um wahlweise das Signal um zwei Drittel zu vermindern, wie dies bei gravierenden Erdfehlerströmen notwendig sein kann. Bevorzugte Komponentenwerte sind z.B. 10 kΩ für die Widerstände 565 und 567; 20 kΩ für den Widerstand 569, 19,6 kΩ für den Widerstand 573; 10 kΩ für den Widerstand 575; 0,033 uF für den Kondensator 575; der Verstärker 579 ist ein LM124 und der IGFET 581 ist ein BS170.

(3) Erzeugung der Systemstromversorgung

Der Strom für das Auslösesystem wird unmittelbar von dem Strom auf den Leitungen 106 geliefert und der Strom jeder der Leitungen 106 kann dazu verwendet. Diese Eigenschaft gestattet es dem Auslösesystem, durch jede der drei Phasen mit Strom versorgt zu werden und auch mit Strom versorgt zu sein, wenn ein Erdungsfehler auf einer oder mehrerer der Phasenleitungen auftritt.
Die Ausgangsströme, die durch die Wandler 510, 512 und 514 hervorgerufen werden, fließen durch die Brückengleichrichter 516, 518, 520 und 522, um den Strom für die Stromversorgung 122 zu liefern. Auf der rechten Seite der Brückengleichrichter 516-522 auf der Leitung 524 werden die Ausgangsströme summiert und unmittelbar in einen Darlington-Transistor 568, eine Z-Diode 570 mit 9,1 V und einen Vorwiderstand 572 eingespeist. Der größte Teil des Stromes fließt unmittelbar durch den Transistor 568 nach Masse und erzeugt eine konstante Spannung von 9,1 V an der Basis des Transistors 568. Da dieser eine nominale Basisemitterspannung (Veb) von etwa 1,0 V hat, liegt der Emitter des Transistors 568 näherungsweise auf 10 V. Der Transistor 568 arbeitet in der entgegengesetzten Richtung so, daß er unabhängig von dem durch ihn hindurchfließenden Strom die Spannung zwischen seinem Emitter und seinem Kollektor auf 10 V hält. Bevorzugte Bauteile sind z.B. ein 2N6285 als Darlington-Transistor 568; eine 1N4739 als Z- Diode 570, während der Widerstand 572 220 Ω hat.
An dem Emitter des Transistors 568 wird das Stromsignal VT ("Auslösespannung") abgegeben.
Das +5V-Signal ist eine stabilisierte + 5V-Versorgungsspannung, die unter Verwendung eines Spannungsreglers 571 (ein LP2950ACZ-5,0) sowie einem Kondensator 582 erzeugt wird, der verhindert, daß das Ausgangssignal des Spannungsreglers 571 schwingt. Der Spannungsregler erhält sein Eingangssignal über eine Diode 576 aus VT. Die Diode 576 lädt den Kondensator 584 auf eie Spannung auf, die um den Spannungsabfall von einer Diode (0,6 V) kleiner ist als VT auf und erzeugt eine zweite Versorgungsspannung von etwa +9 V, die als die +9 V-Versorgungsspannung bezeichnet wird. Die in dem Kondensator 584 gespeicherte elektrische Energie ermöglicht es der elektronischen Schaltung, eine gewisse Zeit mit Strom mit +9 V versorgt zu bleiben, nachdem ein Auslösen aufgetreten ist. Ein Kondensator 574 ist an den Emitter des Transistors 568 angeschlossen und hilft bei der Filterung der Spannungswelligkeit. Der Kondensator 574 dient auch als Energiespeicherelement für die Magnetspule 112, die eingeschaltet wird, wenn der Leistungs-IGFET 583 durch ein "Auslösesignal", von dem Mikrocomputer (120 in Fig. 1) oder einer Watchdog-Schaltung (712 in Fig. 8) eingeschaltet wird. Die Auslösesignale werden durch entsprechende Dioden 591 und 593 miteinander kombiniert. Die Magnetspule 112 wird auch durch eine Überspannungsbedingung aktiviert, die mittels einer 16 V-Z-Diode 595, die eine 1N5246 ist, gemessen wird. Bevorzugte Komponentenwerte sind z.B. 220 uF für den Kondensator 574, 100 uF für den Kondensator 584, 10 uF für den Kondensator 582, 100 kΩ für den Widerstand 585, 10 kΩ für den Widerstand 589, 0,1 uF für den Kondensator 587 und als IGFET 583 ein 6660.
Dioden 576 und 578 werden dazu verwendet, um Strom von einer optionalen externen Stromversorgung (nicht dargestellt) zu erhalten.

(4) Festlegen der Stromgrenzwerte

An der linken Seite der Gleichrichterbrücken werden negative Phasensignale (A', B' und C') von den Brücken an die Anordnung aus den Bürdewiderständen 530 einschl. eines Nennwertsteckers 531 geliefert, um den Stromnennwert für das Auslösesystem festzulegen. Wie oben dargestellt, beträgt, wenn der Primärstrom bei 100% des Nennwertes oder der "Sensorgröße" liegt, die unter Verwendung der Benutzerauswahlschaltung 132 festgelegt ist, der Ausgangsstrom des Wandlers 282,8 mA (effektiv). Damit kann der Mikrocomputer 120, wenn der Mikrocomputer 120 die Bürdespannungen unter Verwendung der Verstärkungsschaltung 134 (Fig. 1) ermittelt, den gegenwärtigen Strom in den Leitungen 106 berechnen.
Fig. 4 veranschaulicht parallele Verbindungen zwischen entsprechenden Widerständen 527 und 529, die zum Festlegen des maximal zulässigen Dauerstromes verwendet werden, der durch die Leitungen 106 fließt. Die Widerstände 527 sind Teil des Nennwertsteckers 531 und die Widerstände 529 sind von dem Nennwertstecker 531 getrennt. Die Widerstände 529 sind bspw. jeweils 4,99 Ω 5 W Widerstände mit 1% Genauigkeit. Dieser Wert sollte mit einem entsprechenden Wert von 12,4 Ω für den Bürdewiderstand 525 für das Erdungsfehlersignal verglichen werden. Die Widerstände 527 des Nennwertsteckers sind zu den Widerständen 529 parallel geschaltet und verursachen deshalb eine Verminderung des sich in Kombination ergebenden Widerstandes. Deshalb legen die Widerstände 529 einen minimalen Stromnennwert für das Auslösesystem fest. Bei einer bevorzugten Anordnung entspricht der minimale Stromnennwert z.B. 40% des maximalen Stromnennwertes. Die Widerstände 527 des Nennwertsteckers skalieren die Spannungen (A', B', C') die von dem Mikrocomputer erfaßt werden. Dies ermöglicht es, daß die Auflösung des A/D-Wandlers des Mikrocomputers im Hinblick auf einen Teil des Nennstromes sowohl für den minimalen als auch den maximalen Stromnennwert dieselbe ist. Folglich gibt es keinerlei Einbußen hinsichtlich der Wandlerauflösung bei minimalem Stromnennwert.
In den Fig. 6a und 6b ist dargestellt, daß der Nennwertstecker 531 die Widerstände 527 enthält, die auf einer gedruckten Leiterplatte 587 angeordnet sind. Ein Verbinder 588 dient dazu, den Nennwertstecker mit dem übrigen Teil des Auslösesystems 100 zu verbinden. Wenn der Nennwertstecker an dem Auslösesystem nicht vorhanden ist, greift das System auf seinen Minimalnennwert zurück.
Der Nennwertstecker 531 enthält außerdem ausbrennbare gedruckte Kupferverbindungsleitungen A, B, C und D, die selektiv von einer gedruckten Leiterbahnverbindung 589 abzutrennen (zu öffnen) sind, um den Mikrocomputer 120 über die Widerstandswerte oder das Bürdespannungs/Strom - Verhältnis in der Anordnung der Bürdewiderstände 530 zu informieren. Die gedruckte Leiterbahnverbindung 589 ist mit dem +5V Signal über einen der Kontaktpunkte an dem Verbinder 588 angeschlossen. Diese Verbindung 589 gestattet es, daß bei dem Auslösesystem die gedruckten Leitungsverbindungen A, B, C und D in binäriger Logik so codiert wird, daß dadurch einer der 16 Werte Widerstandsparallelschaltungen definiert ist. Bei einer bevorzugten Anordnung sind die Binärcodes "1111" und "1110" für Testzwecke reserviert und die 14 Codes "0000" bis "1101" entsprechend den Stromnennwertmultiplikatoren von 0,400 bis 1,000 wie folgt: Code Stromnennwertmultiplikator
Die Schaltung 132 zur Einstellung durch den Benutzer nach Fig. 9 enthält die Interfaceschaltung, die von dem Mikrocomputer 120 verwendet wird, um den binär codierten Widerstandswert aus dem Nennwertstecker 531 auszulesen. Ein Tristate-Puffer 820 ermöglicht es dem Mikrocomputer 120, den Logikpegel jeder der vier, den Zustand der vier ausbrennbaren gedruckten Leitungsverbindungen des Nennwertsteckers 531 selektiv auszulesen. Ein logisches high, das durch die Verbindung zwischen der ausbrennbaren gedruckten Leitungsverbindung und dem +5 Volt Signal an den Eingang des Puffers 820 gelangt, zeigt an, daß die zugehörige Verbindung nicht unterbrochen ist. Ein logisches low an dem Eingang des Puffers 820, das durch Pull-down- Widerstände 826 an dem Eingang des Puffers 820 erzeugt wird, zeigt an, daß die entsprechende Verbindung offen ist. Die ausbrennbaren gedruckten Leitungsverbindungen A, B, C und D können unter Verwendung eines Stromgenerators geöffnet werden, der einen übermäßigen Strom durch die Verbindungen fließen und dabei daß die Kupferverbindungen durchbrennen läßt. Dies wird vorzugsweise ausgeführt, bevor der Nennwertstecker 531 in das Auslösesystem eingesetzt wird. Somit informiert der Nennwertstecker 531, sobald er eingesteckt ist, den Mikrocomputer 120 automatisch über seinen Widerstandswert, und es ist nicht erforderlich, irgendwelche Einstellungen vorzunehmen oder den Mikrocomputer anderweitig über den Typ des verwendeten Nennwertsteckers zu informieren. Der Mikrocomputer kann die von seinem A/D-Wandler gelesenen Werte über einen vorbestimmten Skalierungsfaktor entsprechend den binär codierten Widerstandswerten anpassen, um die gegenwärtigen Stromwerte zu berechnen, die von den Widerstandswerten in dem Nennwertstecker 531 unabhängig sind.

C. Simulation der Bimetallauslenkung

Der Mikrocomputer 120 ist so programmiert, daß er die Auslenkung eines Bimetalls genau simuliert, die gewöhnlich in Auslösesystemen ohne Prozessor verwendet werden. Dies wird durch Akkumulieren der quadrierten Werte der gemessenen Stromabtastwerte erreicht, die durch die Eingangsanalogschaltung 108 erfaßt werden. Die Summe der quadrierten Werte dieses Stromes ist proportional der angesammelten Wärme in dem Auslösesystem 100.
Um die Bimetallauslenkung während des Abkühlens zu simulieren, ist der Mikrocomputer 120 so programmiert, daß er die akkumulierten Stromquadrate logarithmisch vermindert. Mit anderen Worten wird der akkumulierte Wert A von I(t)² während eines Abtastintervalls um einen Wert vermindert, der proportional zu A ist, um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß die Rate der Wärmeabgabe proportional der Übertemperatur des Leiters des Energiesystems über der Umgebungstemperatur ist. Insbesondere vermindert sich die Temperatur des Auslösesystems 100 als Antwort auf eine Unterbrechung oder ein zeitweiliges, intermittierendes Unterbrechen des Stromflusses in den Leitungen 106. Wenn dieses geschieht, verliert der Mikrocomputer 120 jedoch seine Betriebsspannung, und deshalb kann die numerische Simulation nicht mehr durchführen.
Dieses Problem wird durch Verwendung des thermischen Gedächtnisses 138 nach Fig. 1 beseitigt, das dazu dient eine Historie des akkumulierten Stromes für eine vorbestimmte Zeitspanne zu erhalten, während der die Betriebsspannung des Mikrocomputers 120 nicht vorhanden ist. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, wird dies durch Verwendung einer RC-Schaltung 610 erreicht, die durch den Mikrocomputer 120 überwacht und gesteuert wird, um an dem Kondensator 611 eine Spannung aufrecht zu erhalten, die proportional dem akkumulierten Stromquadrat ist. Wenn die Betriebsspannung des Mikrocomputers ausfällt, fällt die Spannung an der RC-Schaltung 610 logarithmisch ab (der Abfall ist durch die Gleichung V = V&sub0;exp(-t/RC) festgelegt). Sollte die Betriebsspannung für den Mikrocomputer wiederkehren, bevor die Spannung zu null wird, liest der Mikrocomputer 120 die Spannung an der RC-Schaltung 610 unter Verwendung eines konventionellen Analogpuffers 612 und initialisiert seinen Verzögerungsakkumulator mit den richtigen Wert. Der Analogpuffer 612 weist bspw. einen Verstärker 627 wie den LM714 und einen 4.7 KΩ Widerstand 629 auf.
Die bevorzugte RC-Schaltung 610, die einen 100 uF Kondensator 611 und einen 3,24 MΩ Widerstand 613 enthält, liefert eine feste Zeitkonstante von 324 Sekunden oder ungefähr 5,4 Minuten.
Die Steuerung der Spannung an der RC-Schaltung 610 wird durch die IGFET Transistoren 618 und 620 erreicht, z.B. einen VP0808 bzw. BS170. Während normaler ruhiger Bedingungen ist der Mikrocomputer 120 nicht in einem Überlastzustand und gibt ein logisches low an das Gate des Transistors 620 ab, wodurch die Transistoren 620 und 622 abgeschaltet werden und sich der Kondensator 611 zu der Systemmasse entladen kann. Die Transistoren 618 und 620 arbeiten in Verbindung mit Widerständen 621, 623 und 625 die z.B. Werte von 100 kΩ, 47 kΩ bzw. 5,1 kΩ haben.
Bei Überlastung akkumuliert der Mikrocomputer 120 Strominformationen in seinem internen RAM, um das Wärmeniveau zu simulieren, und gibt ein logisches high an das Gate des Transistors 620 ab, damit sich der Kondensator 611 auf ein entsprechend ausgewähltes Maß aufladen kann. Während sich der Kondensator 611 lädt, überwacht der Mikrocomputer 120 den Spannungswert unter Verwendung des analogen Puffers 612. Wenn das ausgewählte Maß erreicht ist, gibt der Mikrocomputer ein logisches low an das Gate des Transistors 620 ab, um ein weiteres Laden zu verhindern. Die Spannung an dem Kondensator 611 wird mit Hilfe der Klemmdiode 622 auf 5 Volt begrenzt. Der Spannungsabfall an der Klemmdiode 622 in Vorwärtsrichtung wird durch den Spannungsabfall an einer in Reihe geschalteten Diode 625 kompensiert.
Es sei bspw. angenommen, daß plötzlich eine Überlastung auftritt und der Mikrocomputer 120 so programmiert ist, daß er eine 2-minütige Verzögerung zuläßt, bevor er bei diesem Überlastungsmaß das Auslösesignal erzeugt. Nach 1 Minute hat der Mikrocomputer 120 bei dieser Überlastsituation Strominformationen akkumuliert, was anzeigt, daß 50% auf dem Weg zum Auslösen zurückgelegt sind. Der Mikrocomputer hat es der RC-Schaltung 610 gestattet, sich auf 2,5 V aufzuladen, was 50% der maximalen 5V sind. Beispielshalber sei angenommen, daß zu diesem Zeitpunkt die Überlastfehlerbedingung beseitigt wird und daß das elektronische Auslösesystem seine Betriebsspannung verliert, wenn die Spannung an dem Mikrocomputer 120 auf 0V fällt, wodurch die intern gespeicherte Stromaufsummierung verloren geht. Jedoch ist die Spannung an der RC-Schaltung 610 immer noch vorhanden und beginnt sich um ungefähr 63,2% alle 5,4 Minuten zu vermindern (die Zeitkonstante der RC-Schaltung 610). Deshalb beträgt die Spannung an der RC-Schaltung 610 nach 5 Minuten ohne Strom 36,8% von 2,5V oder 0,92V.
Wenn die Überlastbedingung an diesem Punkt wieder eintritt, erhält der Mikrocomputer 120 Betriebsspannung und mißt an der RC-Schaltung 610 0,92 V. Der Mikrocomputer 120 setzt dann zunächst seine interne Stromaufsummierung auf ungefähr 18% (0,92V geteilt durch das Maximum von 5,0V) der Programmierten, vollen Auslösungsverzögerungszeit.
Die von dem Mikrocomputer durchgeführte Aufsummierungsberechnung basiert auf der Formel:
wobei gilt:
N = die Anzahl der Abtastungen;
t = die Zeit bei diskreten Intervallen (bestimmt durch die Aufsummierungsrate); und
I(t) = der echte Effektivwert des Stromes durch den Leitungsschutzschalter.
Bei einem Fehler beginnt die Auslöseeinheit die quadrierten Stromwerte aufzusummieren, sobald der Strom ein vorbestimmtes Maß für eine vorbestimmte Zeitspanne oder die gewählte Überlastbedingung überschreitet. Das elektronische Auslösesystem betreibt ein internes Aufsummierungsregister, um einen Wert zu speichern, der proportional dem Quadrat des Stromes ist und der, basierend auf der Aufsummierungsrate, periodisch erhöht wird. Bei einem angenommenen konstanten Fehlerniveau des Stroms, einer festen Aufsummierungsrate und einem bekannten Zustand des Aufsummierungsregisters bei t = 0 erhöht sich der Wert des Aufsummierungsregisters bei einer bestimmten Rate und enthält einen bekannten Wert zu jedem gegebenen Zeitpunkt t.
Es sei bspw. angenommen, daß ein kontinuierlicher Fehler mit 70,71 A (effektiv) mit einer Aufsummierungsperiode von 64 Millisekunden gemessen wird. Es sei weiter angenommen, daß das Aufsummierungsregister vor dem Fehler bei Null steht. Der Mikrocomputer 120 summiert den quadrierten Wert des Stromes alle 64 Millisekunden in seinem Register auf, wobei er es veranlaßt, sich mit einer konstanten Rate zu erhöhen.
Bei einem fortdauernden, unveränderlichen Fehlerniveau inkrementiert das interne Aufsummierungsregister mit wachsender Zeit proportional. Um das System vor diesem Fehler zu bewahren, wird der wachsende aufsummierte Wert periodisch mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen, der festgelegt wurde und den in dem System maximal zulässigen Wärmeinhalt repräsentiert. Wenn der akkumulierte Wert diesen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, löst das Auslösesystem den Leitungsschutzschalter aus.
Ein wertvoller Aspekt des Aufsummierens der quadrierten Stromwerte ist, daß sich, wenn sich der Strom verdoppelt, die Stromquadratwerte vervierfachen und daß sich das interne Aufsummierungsregister mit einer schnelleren Rate inkrementiert, was zu einem schnelleren Auslösen führt. Wenn die Verzögerungszeit (die Zeitspanne, bis ein festgestellter Fehler ein Auslösen verursacht) bei einem bestimmten Stromniveau x Sekunden beträgt, beträgt somit die Verzögerungszeit x/4 Sekunden, wenn sich der Strom verdoppelt.
Die Formeln zur Berechnung der Verzögerungszeit bei beliebigem konstantem Strom lautet:
wobei gilt:
AR = die Aufsummierungsrate in Sekunden;
K = der vorbestimmte Aufsummierungsendwert;
und
I = der echte Effektivwert des durch den Leitungsschutzschalter fließenden Stromes.

D. Resetschaltung

In Fig. 8 ist eine erweiterte Darstellung der Resetschaltung 124 gezeigt, die eine Einschaltresetschaltung 710 und eine Watchdog-Schaltung 712 enthält, um die Integrität des Auslösesystemes 100 aufrechtzuerhalten. Die Einschaltresetschaltung 710 erbringt zwei Funktionen, die beide beim Einschalten ausgeführt werden: Sie liefert ein Resetsignal (sicheres Low) auf einer Leitung 743, um den Mikrocomputer 120 im Resetzustand zu halten, bis das Auslösesystem 100 genügend Betriebsspannung aus den Stromleitungen 106 ableitet, und es liefert ein Resetsignal (sicheres Low) über eine Leitung 744 an die Watchdog- Schaltung 712, um die Watchdog-Schaltung daran zu hindern, die Magnetspule 112 bei einem Einschalten auszulösen. Diese letztere Funktion verhindert ein störendes Auslösen.
Vorzugsweise weist die Einschalt-Resetschaltung eine integrierte Schaltung 745 zum Erfassen von Unterspannungen auf, die feststellt, ob die Ausgangsspannung der +5 Volt Versorgung niedriger ist als eine vorbestimmte Referenz- Spannung, bei der der Mikrocomputer (120 in Fig. 1) richtig funktioniert. Die integrierte Schaltung 745 ist z.B. eine MC33064P-5, die die Resetleitung 743 auf low hält, bis die Ausgangs spannung der +5 V Spannungsversorgung über 4,6 V angestiegen ist. Der Mikrocomputer 120 arbeitet bei 4,5 V und darüber. Die bevorzugte Resetschaltung enthält außerdem einen Pull-up-Widerstand 741, einen Kondensator 739 und eine Diode 753, die die integrierte Schaltung 745 mit der Watchdog-Schaltung 712 verbinden. Der Widerstand 741 hat bspw. einen Wert von 47 kΩ und der Kondensator 739 hat einen Wert von 0,01 uF. Die Diode 753 stellt sicher, daß die Resetschaltung 710 die Watchdog-Schaltung 712 nur dann beeinflußt, wenn der Mikrocomputer 160 rückgesetzt ist.
Die Watchdog-Schaltung 712 schützt das Auslösesystem vor Fehlfunktionen des Mikrocomputers. Dazu ist sie so ausgelegt, daß sie die Magnetspule 112 ansteuert, wenn der Mikrocomputer 120 die Watchdog-Schaltung 712 nicht innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne zurücksetzt. Der Mikrocomputer 120 setzt die Watchdog-Schaltung 712 regulär durch Erzeugen logischer High-Impulse auf Leitung 714, vorzugsweise ungefähr alle 200 Millisekunden, zurück. Diese Impulse werden durch den Kondensator 718 geleitet, um einen IGFET-Transistor 720 zu aktivieren, welcher seinerseits eine RC-Timer-Schaltung 724 über einen strombegrenzenden Widerstand 733 entlädt. Ein Widerstand 730 und eine Klemmdiode 732 dienen dazu, die Impulse des Kondensators 718 auf Masse zu klemmen.
Die Impulse auf einer Leitung 714 verhindern, daß sich die RC-Timer-Schaltung 724 eine Spannung größer als eine Referenzspannung Vref an dem Eingang eines Komparators 726 auflädt. Wenn sich die RC-Timer-Schaltung 724 auf über Vref auflädt, sendet der Komparator 726 ein Auslösesignal an die Magnetspule 112, um den Strompfad in den Leitungen 106 zu unterbrechen. Die Referenzspannung wird z.B. mittels einer 4,3 V Z-Diode 427 erzeugt, die über einen Widerstand 729 Strom erhält. Bevorzugte Bauelementewerte sind bspw. 0,001 uF für den Kondensator 718, 27 kΩ für den Widerstand 730, eine 1N4148 als Diode 732, ein BS 170 als Transistor 720, 10 Ω für den Widerstand 733, 820 kΩ für den Widerstand 737, 0,22 uF für den Kondensator 735, ein LM29031 als Komparator 726, eine 1N4687 als Diode 727, 100 kΩ für den Widerstand 729 und 10 kΩ für den Widerstand 751.

E. Benutzerwahlschalter

Wie oben erwähnt, ist die Schaltung 132 zur Auswahl durch den Benutzer in Fig. 9 dargestellt. Zusätzlich zu dem Puffer 820 für den Nennwertstecker weist die Schaltung 132 für die Wahl durch den Benutzer eine Reihe von Benutzerinterface-Schaltungen 810 auf, deren jede ein Paar von BCD-Wahleinrichtungen 812 und einen Tristate-Puffer 814 haben, der durch den Adressen- und Datendecoder 130 nach Figur 1 freigegeben wird. Jede BCD-Wahleinrichtung 812 gestattet es dem Benutzer, eine von unterschiedlichen Systemauslösecharakteristiken zu wählen. Bspw. kann ein Paar BCD-Schalter verwendet werden, um die Langzeitaufnahme und die Langzeitverzögerung (Überlastauslösecharakteristiken) zu bestimmen und ein anderes Paar von BCD-Schaltern kann verwendet werden, um die Kurzzeitaufnahme und die Kurzzeitverzögerung (Kurzzeitauslösecharakteristiken) festzulegen. Andere BCD-Schalter können dazu dienen, Sensor- und Leitungsunterbrechergröße, ein augenblickliches Aufnehmen, Erdungsfehler-Auslösecharakteristiken und Phasenunsymmetrieschwellen zu bestimmen.

F. Energieüberprüfung zur Magnetspulenauslösung

Die Schaltung 132 zur Auswahl durch den Benutzer nach Fig. 1 und 9 bestimmt ferner, ob ausreichend Energie vorhanden ist, um die Magnetspule 112 zu aktivieren. Unter Verwendung der Adressen- und Datendecodierungsschaltung 130 wird der Puffer 820 ausgewählt, um eine seiner Eingangsleitungen 830 zu lesen. Das VT-Signal von der Stromversorgung nach Fig. 1 speist die Eingangsleitung 830, wobei der Puffer 820 gegen übermäßige Spannung durch einen Widerstand 832 und eine Klemmdiode 834 geschützt ist. Der Widerstand 832 hat bspw. einen Wert von 620 kΩ.
Bevor der Mikrocomputer 120 die Magnetspule 112 ansteuert, wird die Eingangsleitung 830 bewertet um zu bestimmen, ob VT als ein logisches high oder ein logisches low gelesen wird. Der Puffer 820 liefert ein logisches high an seinem Ausgang, immer wenn das Eingangssignal größer als 2,5 V bis 3 V ist. Wenn VT als logisches high interpretiert wird, bestimmt der Mikrocomputer 120, daß ausreichend Energie vorhanden ist, um die Magnetspule 112 zu aktivieren, und versucht dieses. Wenn VT als ein logisches low interprtiert wird, legt der Mikrocomputer 120 fest, daß keine ausreichende Energie zum Aktivieren der Magnetspule 112 vorhanden ist, und wartet, wobei er VT wiederholt prüft, in der Annahme, daß ein intermittierender Stromfehler VT veranlaßt hat, abzufallen. Wenn VT über einen Wert von 2,5 bis 3 V steigt, versucht der Mikrocomputer 120 nochmals, die Magnetspule zu aktivieren.

G. Kommunikation zur Informationsanzeige

Der Mikrocomputer 120 sendet identische Statusinformationen über das Auslösesystem an das lokale Display 150 und das Displayterminal 162. Die Information wird synchron an einem seriellen Peripherieinterface 191 an das lokale Display 150 und asynchron über ein serielles Kommunikationsinterface 151 an das Displayterminal 162 gesendet. Die Interfaces 151 und 191 können unter Verwendung der an dem MC68HC11 internen SCI und SPI Ports implementiert werden. Die Historie über Statusinformationen des Auslösesystems ist in dem nichtflüchtigen Auslösespeicher 144 gespeichert. Zu dieser Historie gehört der spezifische Grund und das Stromniveau des letzten Auslösens sowie eine laufende Aufsummierung der unterschiedlichen Auslösegründe.
Der Auslösespeicher 144 ist vorzugsweise ein elektrisch löschbarer, programmierbarer ROM (EEPROM), bspw. ein X24CO4I, der von XICOR, Inc. of Milpitas, California erhältlich ist. Hierbei wird das serielle periphere Interface zum bidirektionalen Datentransfer zwischen dem Mikrocomputer 120 und dem EEPROM 144 verwendet. Dieser Datentransfer wird durch Verwendung einer Leitung des seriellen Peripherieinterfaces 121 implementiert, um die Daten zu übertragen, und die andere Leitung dient dazu, zwecks Synchronisation ein Taktsignal zwischen dem Mikrocomputer 120 und dem EEPROM 114 zu übertragen. Während des Einschaltens des Auslösesystems 100 überträgt der Mikrocomputer ein eindeutiges Bitmuster an den Auslösespeicher 144, das als ein Datenanforderungscode interpretiert wird. Der Mikrocomputer 120 setzt dann die bidirektionale Datenleitung als Eingangsleitung und taktet die geforderten Daten von dem Auslösespeicher 144 ein.
Der Mikrocomputer 120 behält eine Kopie der Daten über die Historie in seinem internen RAM und, wenn ausgelöst wurde, aktualisiert er diese; außerdem übermittelt er sie über das Interface 191 zurück an den Auslösespeicher 144, wobei er wieder das eindeutige Bitmuster verwendet, um den Auslösespeicher 144 in die Empfangsbetriebsart zu setzen. Beim Empfang der Daten schreibt der Auslösespeicher 144 seinen Inhalt zurück, wobei die alte Information über die Historie mit den neu empfangenen Daten überschrieben wird.
Bei normalem Betrieb (das heißt nach dem Einschalten und ohne Auslösen) überträgt der Mikrocomputer 120 Betriebsinformation über das serielle Peripherieinterface 191. Weil diese Information das eindeutige, zum Aktivieren des Auslösespeichers 144 erforderliche Bitmuster nicht enthält, ignoriert der Auslösespeicher 144 die normalen Übertragungen. Jedoch können andere Einrichtungen, die an das serielle Peripherieinterface 191 angeschlossen sind, die Information richtig empfangen und interpretieren.
Der Mikrocomputer 120 ist bspw. so programmiert, daß er eine Kommunikationsprozedur ausführt, die dem Auslösesystem 100 gestattet, mit einem energiesparenden Prozessor in dem Displayprozessor 316 zu kommunizieren. Die Prozedur nutzt einen Software-Interrupt-Mechanismus, um die Frequenz, mit der Information an die Interface 151 und 191 gesendet wird, zu verfolgen. Bei normalem Betrieb wird alle sieben Millisekunden ein 8-Bit-Informationsbyte gesendet. Während des Auslösezustandes werden Informationen kontinuierlich so schnell gesendet, wie sie der Mikrocomputer 120 übertragen kann. Dieses Verfahren gestattet es dem Displayterminal 162 und dem Displayprozessor 316, Statusinformationen von dem Auslösesystem 100 kontinuierlich anzuzeigen, ohne seine Prozessoren dieser Empfangsfunktion exklusiv zur Verfügung zu stellen. Gleichermaßen wichtig ist, daß dieses Verfahren dem Mikrocomputer 120 gestattet, eine Vielzahl von Aufgaben einschl. der kontinuierlichen Analyse des Stromes auf den Leitungen 106 durchzuführen.
Statusbotschaften werden vorzugsweise in einer Technik mit Mehrpaketübertragung unter Verwendung von 8-Byte- Paketen übermittelt. Der in jedem Paket enthaltene Informationstyp kann in acht unterschiedliche Gruppen oder acht unterschiedliche Pakete, Paket 0 bis Paket 7, eingeteilt werden. Das erste Byte jedes Paketes wird verwendet, um die Byte- und Paketnummer sowie den Auslösezustand des Auslösesystemes 100 zu kennzeichnen. Bspw. kann das erste Byte ein Bit zur Kennzeichnung des Bytetyps, vier Bits zur Kennzeichnung der Paketnummer und drei Bits zur Kennzeichnungen des Auslösezustandes enthalten: kein Auslösezustand, Stromüberlastauslösung, Kurzschlußauslösung, augenblickliche Auslösung, Erdungsfehlerauslösung und Auslösung wegen Phasenunsymmetrie. Die Bytes zwei bis sechs jedes Paketes variieren in Abhängikeit von der Paketnummer. Byte 7 wird verwendet, um das Auslösesystem zu kennzeichnen, das die Information sendet (bei einer Vielsystemkonfiguration) und Byte 8 wird als eine Prüfsumme benutzt, um die Richtigkeit der Daten zu verifizieren.
Der Mikrocomputer schaltet den in jedem Paket enthaltenen Infomationstyp in Abhängigkeit der Priorität der Information um. Bei normalen (nicht auslösenden) Zuständen überträgt die Auslöseeinheit das Paket Nummer 0, gefolgt durch Paket Nummer 1, gefolgt durch eines der verbleibenden definierten Paketnummern 2 bis 7. Diese Folge wird grafisch dargestellt als:
1) Paket 0 - Paket 1 - Paket 2
2) Paket 0 - Paket 1 - Paket 3
3) Paket 0 - Paket 1 - Paket 4 wiederholen bis Auslösen erfolgt
4) Paket 0 - Paket 1 - Paket 5
5) Paket 0 - Paket 1 - Paket 6
6) Paket 0 - Paket 1 - Paket 7
Bei einem Auslösezustand ist die Paketübertragungsfolge des Normalbetriebes unterbrochen und Paket Nummer 2 wird ständig übertragen, bis die Stromversorgung ausfällt. Die Übertragungsrate ist auf die höchstmögliche Rate erhöht.
Die fünf Bytes jedes Paketes, die gemäß der Paketnummer variieren, sind für insgesamt acht unterschiedliche Pakete 0 bis 7 eingerichtet. Die Informationen dieser Bytes sind für jede Paketnummer wie folgt festgelegt:

Paket 0 - (0 0 0 0)

Data Byte 1 - Phase A Strom - High Byte
Data Byte 2 - Phase A Strom - Low Byte
Data Byte 3 - Phase B Strom - High Byte
Data Byte 4 - Phase C Strom - Low Byte
Data Byte 5 - Überlasterfassung - und Kurzschluß- Übersteuerung In

Paket 1 - (0 0 0 1)

Data Byte 1 - Phase C Strom - High Byte
Data Byte 2 - Phase C Strom - Low Byte
Data Byte 3 - Erdungsfehler - High Byte
Data Byte 4 - Erdungsfehler - Low Byte
Data Byte 5 - Kurzschluß-, Phasenunsymmetrie- und Erdschlußfehlererfassung

Paket 2 - (0 0 1 0)

Data Byte 1 - Maximaler Phasenstrom - High Byte
Data Byte 2 - Maximaler Phasenstrom - Low Byte
Data Byte 3 - Identifikation der Phase mit Maximum (A, B, C oder N), Schalteridentifikation und Erdungsfehler - Übersteuerung In
Data Byte 4 - Auslöseeinheit / Sensoridentifikation
Data Byte 5 - Nennwertstecker / Optionen

Paket 3 - (0 0 1 1)

Data Byte 1 - Langzeit-Schaltungen
Data Byte 2 - Kurzzeit-Schaltungen
Data Byte 3 - Schaltvorgänge wegen momentaner Phasenunsymmetrien
Data Byte 4 - Schaltvorgänge wegen Erdundsfehlern
Data Byte 5 - Auslösungen wegen Phasenunsymmetrien

Paket 4 - (0 1 0 0)

Data Byte 1 - Langzeitauslösungen
Data Byte 2 - Kurzschlußauslösungen
Data Byte 3 - Auslösungen wegen Erdungsfehlern
Data Byte 4 - Letzter maximaler Phasenstrom - High Byte
Data Byte 5 - Letzter maximaler Phasenstrom - Low Byte

Paket 5 - (0 1 0 1)

Data Byte 1 - Auslösung wegen Softwarefehlern
Data Byte 2 - Letzter Strom Phase A - High Byte
Data Byte 3 - Letzter Strom Phase A - Low Byte
Data Byte 4 - Letzter Strom Phase B - High Byte
Data Byte 5 - Letzter Strom Phase B - Low Byte

Paket 6 - (0 1 1 0)

Data Byte 1 - Letzter Fehler Systemstatus Byte
Data Byte 2 - Letzter Strom Phase C - High Byte
Data Byte 3 - Letzter Strom Phase C - Low Byte
Data Byte 4 - Strom bei letztem Erdungsfehler - High Byte
Data Byte 5 - Strom bei letztem Erdungsfehler - Low Byte

Paket 7 - (0 1 1 1)

Data Byte 1 - Lanzeitspeicherverhältnis
Data Byte 2 - Phase A Unsymmetrie %
Data Byte 3 - Phase B Unsymmetrie %
Data Byte 4 - Phase C Unsymmetrie %
Data Byte 5 - Softwareversionskennungs-Byte
Der Mikrocomputer 120 überträgt Informationen in vier Hauptklassen. Die erste Klasse bildet Auslösestatusinformationen, die mit dem ersten Byte jedes Paketes bezeichnet sind. Die zweite und dritte Klasse enthalten Strommessungsinformationen, die zweite Klasse enthält Strommessungsinformation von jeder Leitung 106, wie sie in den Paketen 0 und 1 enthalten sind und die dritte Klasse enthält die Information über den maximalen Stromzustand, wie in Paket 2 enthalten. Die letzte Informationsklasse bezieht sich auf die vorliegende Konfiguration des Auslösesystems und ist in den Paketen 3 bis 7 enthalten.

H. Anhänge

Die beigefügten Anhänge stellen jeweils die bevorzugte Art und Weise dar, in der der Mikrocomputer 120 nach Fig. 1 und der Displayprozessor 316 nach Fig. 3a programmiert werden können, um das oben in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform erklärte System zu implementieren. TABLE 1 SAMPLE NR. Zeit (ms) l(t) Ampere l(t) quadriert Ampere Summe Ampere l(t) (binär) l(t) quadriert (binär) Summer (binär) Additionsmittelwert ber. Effektivw. (A) tats. Effektivw. ber. Effektivw. (binär)

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Nennwertsteckschaltkreises (531) zur Verwendung in einem auf einem Prozessor basierenden Leitungsschutzschalter-Auslösesystem (100) mit einem Stromsensor (110) zum Messen des Stromes in einem Stromweg (106), das die Schritte aufweist:

es wird eine Anzahl von gedruckten Leitungswegen (589) an unterschiedliche Leitungskontaktstellen auf einer gedruckten Schaltung (587) festgelegt;

an die Kontaktstellen auf der gedruckten Schaltungsplatte (587) wird ein elektrischer Verbinder (588) angeschlossen;

es wird ein einen ausgewählten Wert aufweisender Widerstand (527) an die gedruckte Schaltungsplatte (587) angeschlossen; und

vorbestimmte gedruckte Leitungswege (589) der Anzahl der gedruckten Leitungswege werden unterbrochen, um eine Code zu erzeugen, der den vorbestimmten Wert des Widerstandes (527) anzeigt.

2. Verfahren zum Herstellen eines Nennwertsteckschaltkreises (531) nach Anspruch 1, bei dem es der Schritt des Unterbrechens vorbestimmter gedruckter Leitungswege aus der Anzahl der gedruckten Leitungswege (589) beinhaltet, durch diese einen Strom mit einem übergroßen Wert hindurchzuschicken.

3. Nennwertsteckschaltkreis (531) zum Einstellen eines Stromnennwertes für ein Auslösesystem zur Verwendung in einem auf einem Prozessor basierenden Auslösesystem (100) für Leitungsschutzschalter mit einem Stromsensor (110) zum Messen des Stromes in einem Stromweg (106), mit: einer Leiterplatte (587) ;

an die Leiterplatte (587) angeschlossenen Widerstandsmitteln (527), um eine Spannung mit einem vorbestimmten Verhältnis zu dem Wert des gemessenen Stroms zu erzeugen, um so einen zulässigen maximalen Strom festzulegen, der ständigen über den Stromweg (106) fließen darf;

einem Verbinder (588) mit einer Anzahl von leitenden Kontaktstellen, um die Leiterplatte (587) mit dem Auslösesystem zu verbinden, um dadurch den maximalen Stromnennwert für das Auslösesystem (100) festzulegen, so daß bei einem Fehlen des Nennwertsteckschaltkreises (531) in dem Auslösesystem (100) das Auslösesystem (100) zu einem minimalen Stromnennwert zurückkehrt; und

Codiermitteln (A, B, C, D), die an die leitenden Kontaktstellen angeschlossen sind, um einen Code zu erzeugen, der das vorbestimmte Verhältnis der Spannung zu dem gemessenen Strom repräsentiert;

wobei der Code in der Lage ist, von einem Prozessor (120) über den Verbinder (588) ausgelesen zu werden, um den Stromweg (106) zu analysieren.

4. Nennwertsteckschaltkreis nach Anspruch 3, bei dem die Codiermittel eine Anzahl von gedruckten Leiterplattenwegen (589) umfassen, die auf der Leiterplatte (587) vorgesehen sind und die an unterschiedliche leitende Kontaktstellen des Verbinders (588) angeschlossen sind, um den Code zu erzeugen.

5. Nennwertsteckschaltkreis nach Anspruch 4, bei dem die Codiermittel eine Anzahl von ausbrennbaren gedruckten Schaltkreisverbindungen (A, B, C, D) umfassen, die zur Erzeugung des Codes wahlweise von der Anzahl der gedruckten Leiterbahnwege (586) abgetrennt werden, um so den Prozessor über das vorbestimmte Verhältnis der Spannung zu dem gemessenen Strom zu informieren.

6. Nennwertsteckschaltkreis nach Anspruch 5, bei dem die Anzahl der gedruckten Leiterplattenwege (589) an ein Spannungssignal eines Logikschaltkreises über einen der leitenden Kontaktstellen des Verbinders (588) angeschlossen sind, um es so dem Auslösesystem (100) zu ermöglichen, in binärer Logik die Anzahl der gedruckten Schaltkreisverbindungen (A, B, C, D) zu codieren.

7. Nennwertsteckschaltkreis nach den Ansprüchen 3, 4, 5 oder 6, bei dem die Widerstandsmittel einer Anzahl von Widerständen (527) umfassen, von denen jeder mit einem Ende an eine jeweils zugehörige leitende Kontaktstelle und mit dem anderen Ende an eine gemeinsame Kontaktstelle angeschlossen ist, um so das Auslösesystem (100) mit einem zugehörigen Widerstand (527) für jede der Anzahl der Stromphasen in dem Stromweg (106) zu versehen.

8. Nennwertsteckschaltkreis nach Anspruch 7, bei dem die Codiermittel (A, B, C, D) in der Lage sind, den Prozessor (120) über die Widerstandswerte zu informieren.