EP4367699A1 - Schutzschaltgerät und verfahren - Google Patents

Schutzschaltgerät und verfahren

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Publication number
EP4367699A1
EP4367699A1 EP22773464.7A EP22773464A EP4367699A1 EP 4367699 A1 EP4367699 A1 EP 4367699A1 EP 22773464 A EP22773464 A EP 22773464A EP 4367699 A1 EP4367699 A1 EP 4367699A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
unit
voltage
low
switching device
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22773464.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marvin TANNHÄUSER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP4367699A1 publication Critical patent/EP4367699A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/548—Electromechanical and static switch connected in series
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/547—Combinations of mechanical switches and static switches, the latter being controlled by the former

Definitions

  • the invention relates to the technical field of a protective switching device for a low-voltage circuit with an electronic interrupting unit and a method for a protective switching device for a low-voltage circuit with an electronic interrupting unit.
  • low voltage voltages of up to 1000 volts AC or up to 1500 volts DC.
  • Low voltage refers in particular to voltages that are greater than extra-low voltage, with values of 50 volts AC or 120 volts DC, are .
  • Low-voltage circuit or network or system are circuits with rated currents or Rated currents of up to 125 amps, more specifically up to 63 amps.
  • Low-voltage circuits are circuits with rated currents or Rated currents of up to 50 amps, 40 amps, 32 amps, 25 amps, 16 amps or 10 amps are meant.
  • the current values mentioned mean in particular nominal, rated and/or cut-off currents, i. H . the maximum current that is normally conducted through the circuit or where the electrical circuit is usually interrupted, for example by a protective device such as a protective switching device, miniature circuit breaker or circuit breaker.
  • the rated currents can be scaled further, from 0.5 A to 1 A, 2 A, 3 A, 4 A, 5 A, 6 A, 7 A, 8 A, 9 A, 10 A, etc . up to 16 A.
  • Miniature circuit breakers have long been known overcurrent protection devices that are used in electrical installation technology in low-voltage circuits. These protect lines from damage caused by heating due to excessive current and/or short circuits.
  • a Circuit breaker can switch off the circuit automatically in the event of an overload and/or short circuit.
  • a circuit breaker is a non-automatically resetting safety element.
  • circuit breakers In contrast to miniature circuit breakers, circuit breakers are intended for currents greater than 125 A, sometimes even from 63 amperes. Miniature circuit breakers are therefore simpler and more filigree in construction. Miniature circuit breakers usually have a mounting option for mounting on a so-called top-hat rail (mounting rail, DIN rail, TH35).
  • Miniature circuit breakers are built electromechanically. In a housing, they have a mechanical switching contact or Shunt trip for interrupting (tripping) the electrical current on .
  • a bimetallic protective element or Bimetallic element used for tripping (interruption) in the event of prolonged overcurrent (overcurrent protection) or in the event of thermal overload (overload protection).
  • An electromagnetic release with a coil is used for short-term release when an overcurrent limit value is exceeded or used in the event of a short circuit (short circuit protection).
  • One or more arc quenching chamber(s) or Arc extinguishing devices are provided. Furthermore, connection elements for conductors of the electrical circuit to be protected.
  • Protective switching devices with an electronic interrupting unit are relatively new developments. These have a semiconductor-based electronic interruption unit. D. H . the flow of electrical current in the low-voltage circuit is routed via semiconductor components or semiconductor switches, which interrupt or switch off the flow of electrical current. can be switched to be conductive.
  • Protective switching devices with an electronic interruption unit also often have a mechanical isolating contact system, in particular with isolating properties in accordance with the relevant standards for low-voltage circuits, the contacts of the mechanical isolating contact system being connected in series with the electronic interrupting unit, i.e. the current of the low-voltage circuit to be protected is routed both via the mechanical isolating contact system and via the electronic interrupting unit.
  • the present invention relates in particular to low-voltage AC circuits with an AC voltage, usually with a time-dependent sinusoidal AC voltage with the frequency f.
  • a harmonic AC voltage can be represented by rotating a pointer whose length corresponds to the amplitude (U) of the voltage.
  • the instantaneous deflection is the projection of the pointer onto a coordinate system.
  • a period of oscillation corresponds to a full revolution of the pointer and its full angle is 2n (2Pi) or 360°.
  • the angular frequency is the rate of change of the phase angle of this rotating phasor.
  • the angular frequency of a harmonic oscillation is always 2n times its frequency, i.e.:
  • the time-dependent value from the angular velocity co and the time t corresponds to the time-dependent angle cp(t), which is also referred to as the phase angle cp(t).
  • the object of the present invention is to improve a protective switching device of the type mentioned above, in particular to improve the safety of such a protective switching device or to achieve greater safety in the electrical low-voltage circuit to be protected by the protective switching device.
  • a protective switching device for protecting an electrical low-voltage circuit having: - a housing with at least one mains-side connection and one load-side connection,
  • the mechanical isolating contact unit can be switched by opening contacts to avoid a current flow or by closing the contacts for a current flow in the low-voltage circuit
  • the electronic interruption unit can be switched by semiconductor-based switching elements to a high-impedance state of the switching elements to avoid current flow or a low-impedance state of the switching elements to current flow in the low-voltage circuit
  • a control unit which is connected to the current sensor unit, the mechanical isolating contact unit and the electronic interrupter unit, wherein when current and/or current time limit values are exceeded, avoidance of a current flow in the low-voltage circuit is initiated.
  • the protective switching device is designed according to the invention such that for functional testing of the protective switching device with closed contacts of the mechanical isolating contact unit and high-impedance switched electronic interruption unit, the electronic interruption unit is switched to a low-impedance state for a first period of time.
  • D. H Starting from the high-impedance state, the electronic interruption unit is switched to the low-impedance state for a first period of time and is then again in the high-impedance state.
  • the first period of time can be in the range of 100 ps to 1 ms. For example 100 ps , 200 ps , ..., 1 ms ; any intermediate value is possible and obvious.
  • This has the particular advantage that the electronic interruption unit in terms their ability to be switched on can be checked. According to the invention, increased operational reliability of a protective switching device is thus achieved. Furthermore, a new architecture or structural design of a protective switching device is proposed.
  • the protective switching device is designed in such a way that (for one conductor) the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit can be determined.
  • At least one voltage sensor unit connected to the control unit can be provided for this purpose. If there are several voltage sensor units, these are connected to the control unit.
  • the determination of the functional capability of the electronic interruption unit can advantageously be supported in a simple manner. Increased operational reliability of a protective switching device is thus achieved. Furthermore, a new architecture or Structural design of a protective switching device proposed.
  • the protective switching device is designed in such a way that when the electronic interrupter unit is switched to the low-impedance state for the first period of time, the magnitude of the voltage across the electronic interrupter unit is determined. In this case (in the low-impedance state), the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit is determined. If a first voltage threshold value is exceeded, a first error condition is present, so that a (in particular further) low resistance (or low resistance again) of the electronic interruption unit is avoided and/or opening of the contacts is initiated.
  • the first voltage threshold should preferably be less than 1
  • the first voltage threshold can be between 0 volts (or greater than 0 volts) and smaller (e.g. 10% smaller) than the
  • the first period of time can be very short.
  • the second period of time can be less than 1 ms, specifically for example 500 ps or 100 ps long.
  • the electronic interruption unit is then switched to a low-impedance state when the instantaneous value of the voltage between the network-side neutral conductor connection and the network-side phase conductor connection falls below a second voltage threshold value.
  • the second voltage threshold value can be a value of the (safety) extra-low voltage.
  • the second voltage threshold can be 50 V or less.
  • a first voltage sensor unit connected to the control unit which determines the magnitude of a first voltage between a grid-side connection point and a load-side connection point of the electronic interruption unit.
  • a second voltage sensor unit connected to the control unit is alternatively provided, which determines the level of a second voltage between the network-side neutral conductor connection and the network-side phase conductor connection. Furthermore, a third voltage sensor unit connected to the control unit is provided, which determines the magnitude of a third voltage between the neutral conductor connection on the network side and the connection point of the electronic interruption unit on the load side.
  • the protective switching device is designed in such a way that the level of a/the first voltage between the network-side connection point and the load-side connection point of the electronic interruption unit is determined from the difference between the second and third voltage.
  • the current sensor unit is provided on the circuit side between the line-side phase conductor connection and the load-side phase conductor connection.
  • the device is compactly divided into two, with an electronic interruption unit in the phase conductor together with a current sensor unit on the one hand and a continuous neutral conductor on the other. Furthermore, with a current sensor unit in the phase conductor, more extensive monitoring of currents is achieved both in the circuit itself and in the case of ground fault currents.
  • the low-voltage circuit is a three-phase alternating current circuit.
  • the protective switching device has additional line-side and load-side phase conductor connections to connect the phases of the protect electrical circuit.
  • An electronic interruption unit with a voltage determination according to the invention, in particular first voltage sensor units, is provided between each of the line-side and load-side phase conductor connections.
  • a contact of the mechanical isolating contact unit is provided between each of the line-side and load-side phase conductor connections.
  • the protective switching device is designed in such a way that the contacts of the mechanical isolating contact unit can be opened by the control unit, but cannot be closed.
  • the mechanical isolating contact unit can be operated by a mechanical handle in order to switch an opening of contacts or a closing of the contacts.
  • an energy supply is provided, in particular for the control unit, which is connected to the grid-side neutral conductor connection and the grid-side phase conductor connection.
  • a fuse in particular a fuse, is provided in the connection to the network-side neutral conductor connection.
  • the measurement impedance can advantageously be connected to the line-side neutral conductor connection via the fuse.
  • control unit has a microcontroller.
  • a corresponding method for a protective switching device for a low-voltage circuit with electronic (semiconductor-based) switching elements with the same and additional advantages is claimed.
  • the method for a circuit breaker protecting a low voltage electrical circuit comprising:
  • the mechanical isolating contact unit can be switched by opening contacts to avoid a current flow or by closing the contacts for a current flow in the low-voltage circuit
  • the electronic interruption unit can be switched by semiconductor-based switching elements to a high-impedance state of the switching elements to avoid current flow or a low-impedance state of the switching elements to current flow in the low-voltage circuit
  • the electronic interruption unit is switched to a low resistance state for a first period of time.
  • the electronic interruption unit When the electronic interruption unit is switched to the low-impedance state for the first period of time, the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit is determined. If a first voltage threshold value is exceeded (in the low-resistance state), a first fault condition is present, so that the electronic interruption unit is prevented from becoming low-resistance again and/or opening of the contacts is initiated.
  • the electronic interruption unit is advantageously switched to a low-impedance state when the instantaneous value of the voltage between the neutral conductor connection on the network side and the phase conductor connection on the network side falls below a second voltage threshold value.
  • the computer program product includes instructions which, when the program is executed by a microcontroller, cause the microcontroller to improve or increase the safety of such a protective switching device. to achieve greater safety in the electrical low-voltage circuit to be protected by the protective switching device.
  • the microcontroller is part of the protective switching device, in particular the control unit.
  • a corresponding computer-readable storage medium on which the computer program product is stored is claimed.
  • Figure 1 is a first representation of a protective switching device
  • Figure 2 shows a second representation of a protective switching device
  • FIG. 3 shows a third representation of a protective switching device
  • Figure 4 shows a representation with first voltage curves
  • FIG. 5 shows a representation with second voltage curves
  • FIG. 6 shows a fourth representation of a protective switching device.
  • FIG. 1 shows a representation of a protective switching device SG for protecting an electrical low-voltage circuit, in particular a low-voltage alternating current circuit, with a housing GEH, comprising:
  • the load-side connection points APNL, APLL are connected to the load-side neutral and Phase conductor connections NL, LL connected, so that an opening of contacts KKN, KKL to avoid a current flow or a closing of the contacts for a current flow in the low-voltage circuit can be switched,
  • electronic interruption unit EU (which is arranged in particular in the phase conductor in the case of a single-pole design) with a grid-side connection point EUG, which is electrically connected to the grid-side phase conductor connection LG, and a load-side connection point EUL, which is connected to the grid-side Connection point APLG of the mechanical isolating contact unit MK is electrically connected or. is connected, the electronic interruption unit having a high-impedance state of the switching elements to avoid current flow or a low-impedance state of the switching elements to current flow in the low-voltage circuit due to semiconductor-based switching elements,
  • a current sensor unit S I for determining the level of the current of the low-voltage circuit, which is arranged in particular in the phase conductor,
  • a control unit SE which is connected to the current sensor unit S I , the mechanical isolating contact unit MK and the electronic interrupting unit EU, with current and/or current time limit values being exceeded avoiding a current flow in the low-voltage circuit being initiated.
  • the protective switching device is designed in such a way that the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit can advantageously be determined.
  • D. H the level of a first voltage between the grid-side connection point EUG and the load-side connection point EUL of the electronic interruption unit EU can be determined or is determined .
  • a first voltage sensor unit SUI connected to the control unit SE is provided in the example according to FIG Connection point EUG and load-side connection point EUL determined the electronic interruption unit EU.
  • the voltage across the series connection of electronic interruption unit EU and current sensor S I can alternatively also be determined, as shown in FIG.
  • the current sensor unit S I has a very low internal resistance, so that the determination of the level of the voltage is not affected or is only negligibly affected.
  • a measuring impedance ZM can be connected between the line-side connection points APLG, APNG of the mechanical isolating contact unit MK.
  • the measuring impedance ZM can be an electrical resistor and/or capacitor, for example.
  • the measuring impedance can also be an inductance.
  • the measurement impedance can be a series connection or parallel connection of a resistor and/or capacitor and/or inductance.
  • a second voltage sensor unit SU2 can be provided, which determines the magnitude of the voltage between the line-side neutral conductor connection NG and the line-side phase conductor connection LG.
  • the first voltage sensor unit can also be replaced by using two voltage measurements (before the electronic interrupting unit and after the electronic interrupting unit).
  • the voltage across the electronic interruption unit is determined by forming a difference.
  • A/the second voltage sensor unit SU2 connected to the control unit SE can be provided, which determines the level of a second voltage between the network-side neutral conductor connection (NG) and the network-side phase conductor connection (LG). Furthermore, a third voltage sensor unit SU3 (not shown) connected to the control unit can be provided, which measures the level of a third voltage between the network-side neutral conductor connection NG and the load-side Connection point EUL of the electronic interruption unit EU determined.
  • the protective switching device is designed in such a way that the level of a/the first voltage between the grid-side connection point EUG and the load-side connection point EUL of the electronic interruption unit EU is determined from the difference between the second and third voltage.
  • the electronic interruption unit EU has a single-pole design, in the example in the phase conductor.
  • the line-side connection point APNG for the neutral conductor of the mechanical isolating contact unit MK is connected to the line-side neutral conductor connection NG of the housing GEH.
  • the protective switching device SG is advantageously designed in such a way that the contacts of the mechanical isolating contact unit MK can be opened by the control unit SE but not closed, which is indicated by an arrow from the control unit SE to the mechanical isolating contact unit MK.
  • the mechanical isolating contact unit MK can be operated by a mechanical handle HH on the protective switching device SG in order to switch a manual (manual) opening or closing of the contacts KKL, KKN.
  • the mechanical handle HH indicates the switching status (open or closed) of the contacts of the mechanical isolating contact unit MK on the protective switching device.
  • the contact position (or the position of the handle, closed or open) can be transmitted to the control unit SE.
  • the contact position (or the position of the handle) can z. B. be determined by a sensor.
  • the mechanical isolating contact unit MK is advantageously designed in such a way that a (manual) closing of the contacts by the mechanical handle is only possible after a release (enable), in particular a release signal. This is also indicated by the arrow from the control unit SE indicated for the mechanical isolating contact unit MK. D. H . , The contacts KKL, KKN of the mechanical isolating contact unit MK can only be opened by the handle HH when the release or of the release signal (from the control unit) to be closed. Without the release or the release signal can be used to actuate the handle HH, but the contacts cannot be closed ("continuous slipping").
  • the protective switching device SG has an energy supply NT, for example a power pack.
  • the power supply NT is provided for the control unit SE, which is indicated by a connection between the power supply NT and the control unit SE in FIG.
  • the power supply NT is (on the other hand) connected to the line-side neutral conductor connection NG and the line-side phase conductor connection LG.
  • a fuse SS in particular a fuse, can advantageously be provided in the connection to the network-side neutral conductor connection NG (and/or phase conductor connection LG).
  • measuring impedance ZM can be connected to the line-side neutral conductor connection NG via the fuse SS.
  • a three-pole electronics unit EE (FIG. 6) can thus advantageously be implemented, for example as a module that has three
  • the electronics unit EE has, for example, the electronic interruption unit EU, the control unit SE, the power supply NT (in particular including the fuse SS), the current sensor unit SI, the first voltage sensor unit SUI and optionally the second voltage sensor unit SU2.
  • the low-voltage circuit can be a three-phase AC circuit, with a neutral conductor and three phase conductors.
  • the protective switching device can be designed as a three-phase variant and can have, for example, further line-side and load-side phase conductor connections. Between the other line-side and load-side, phase conductor connections are provided in each case according to the invention by electronic interruption units and voltage determinations (e.g. by first voltage sensor units). Also contacts of the mechanical isolating contact unit.
  • High resistance means a state in which only a negligible current flows.
  • resistance values greater than 1 kilohm, more preferably greater than 10 kilohms, 100 kilohms, 1 megohm, 10 megohms, 100 megohms, 1 gigaohm, or greater.
  • Low-impedance means a condition in which the current value specified on the protective switching device could flow.
  • low-impedance means resistance values that are less than 10 ohms, better less than 1 ohm, 100 milliohms, 10 milliohms, 1 milliohm or less.
  • FIG. 2 shows an illustration according to FIG. 1, with the difference that an energy source EQ with a nominal voltage U N of the low-voltage circuit is connected to the network side GRID. Furthermore, on the load side LOAD a consumer or Energy sink ES is connected.
  • a release signal enable is drawn in at the connection of the control unit SE to the mechanical isolating contact unit MK.
  • the mechanical isolating contact unit MK is shown in an open state OFF, i. H . with open contacts KKN, KKL to avoid current flow.
  • the protective switching device SG works, for example, in principle such that when the contacts of the mechanical isolating contact unit and low-impedance interrupting unit and
  • FIG. 3 shows a representation according to FIG. 2, with various differences. The voltages on and in the protective switching device are shown in more detail:
  • the first voltage Ul (or U sw ) is measured directly across the electronic interruption unit (ie without a current sensor unit SI).
  • the second voltage U2 (or U N , GND ) corresponds to the mains voltage U L N minus the (minimum) voltage drop across the current sensor unit SI and the ohmic losses.
  • the (single-pole) electronic interruption unit EU having semiconductor-based switching elements TI, T2.
  • two series-connected semiconductor-based switching elements T1, T2 are provided.
  • An overvoltage protection device TVS is advantageously provided above the series connection of the two semiconductor-based switching elements TI, T2.
  • two unidirectional electronic switching elements are connected in series (back-to-back).
  • the first unidirectional switching element is arranged switchable in a first current direction and the second unidirectional switching element is arranged switchable in the opposite current direction, the unidirectional switching elements being switched counter to their current switching direction (directly or indirectly, e.g. by internal or external diodes connected in parallel).
  • the protective switching device is designed in such a way that the first and the second switching element can be switched independently of one another.
  • FIG. 3 also shows a line inductance Lgrid on the line side with associated voltage drop ULgrid and current igrid on the line side.
  • the load-side current iload together with the load-side voltage drop ULoad across the consumer or drawn in the energy sink ES.
  • the energy sink ES is shown with its inductive and ohmic components.
  • Mains voltage e . g . 230 V AC
  • Mains voltage e . g . 230 V AC
  • Figure 3 shows the difference that the contacts of the mechanical isolating contact unit are closed and the electronic interruption unit is high-impedance.
  • the protective switching device is designed in such a way that when the contacts of the mechanical isolating contact unit MK are closed and the electronic interruption unit EU is switched to high resistance, the electronic interruption unit EU is switched to a low resistance state for a first period of time, and then the level of the voltage across the electronic interruption unit is determined (in the low resistance state ) .
  • a first Voltage threshold value there is a first error condition that avoids (further) low-impedance switching of the electronic interruption unit and/or initiates opening of the contacts.
  • connection between the control unit SE and the electronic interruption unit EU has a square-wave signal that is in the off state and is briefly switched to the on state.
  • D. H . for a short time (first period of time) the electronic interruption unit EU is switched to a low-impedance state.
  • the electronic interruption unit can optionally be switched several times to test the functionality in the low-impedance state, which z. B. is indicated by two consecutive states on (on) of the square-wave signal.
  • an opening signal OEF is sent from the control unit SE to the mechanical isolating contact unit MK in order to initiate opening of the contacts, as indicated in FIG.
  • the opening of the mechanical contacts is preferably carried out shortly before the current zero crossing, so that the mechanical switching contacts can interrupt the current flow more easily, contact erosion or an arc is avoided.
  • the control unit SE can avoid or prevent a signal from becoming low-impedance for the electronic interruption unit. suppress .
  • the electronic interruption unit is advantageously switched to a low-impedance state when the instantaneous value of the voltage between the neutral conductor connection on the network side and the phase conductor connection on the network side falls below a second voltage threshold value.
  • the point in time for switching on is advantageously selected when the instantaneous voltage values are small (lower than the second voltage threshold value) in order to minimize the measurement current through the consumer/the energy sink/the load that arises as a result. Furthermore, to ensure personal protection.
  • the second voltage threshold can be 50 V, for example AC voltage amount. D. H . when switching on, only harmless (safety) extra-low voltages are used.
  • Figure 3 shows the basic overview for checking the electronic interruption unit in a so-called control or standby state .
  • the mechanical isolating contact unit is closed and the electronic interruption unit has a high resistance.
  • the functionality of the switching elements TI or T2 can be tested on their semiconductor-based switching elements.
  • FIG. 4 shows voltage and current curves during the test by briefly switching on the electronic interruption unit (for a functional protective switching device).
  • the vertical y-axis shows the voltage in volts or of the current in mA and the time in milliseconds ms on the horizontal x-axis.
  • the middle graph shows the load-side voltage curves ULoad and the load-side current curves iload over time t in ms.
  • the curve of the first voltage Ul over the time t in ms is shown in the graphic below.
  • EI2 is a voltage change or. Voltage drop of the first voltage Ul recognizable, which can be detected (no exceeding of the first voltage threshold value). In the ideal case, the voltage across the electronic interruption unit after switching on or during the duty cycle zero or . near zero volts
  • FIG. 9 shows this as an example for a functional device.
  • the switching element T2 can be checked in the positive half-wave.
  • the switching element TI can be checked in the negative half-wave.
  • FIG. 5 shows an illustration according to FIG. 4, with the difference that exemplary current and voltage curves for a defective protective switching device with a defective electronic interruption unit, in which the semiconductor-based switching element T2 has burned out, are shown.
  • FIG. 6 shows an illustration according to FIG. 1-3, with the difference that the protective switching device is constructed in two parts. It contains an electronic first part EPART, for example on a printed circuit board.
  • the first part EPART can have the control unit SE, the first voltage sensor unit SUI, the second voltage sensor unit SU2, the current sensor unit SI, the electronic interruption unit EU, the power supply NT.
  • the first part can have the fuse SS, a switch SCH, the measuring impedance ZM, a temperature sensor TEM (in particular for the electronic interruption unit EU), a communication unit COM, a display unit DISP.
  • the first part EPART has only three connections :
  • the protective switching device contains a particularly mechanical second part MPART.
  • the second part MPART can have the mechanical isolating contact unit MK, the handle HH, a release unit FG.
  • the second part can have a position unit POS, for reporting the position of the contacts of the mechanical isolating contacts unit MK to the control unit, as well as the (neutral conductor) connection(s). Further units, not specified in detail, can be provided.
  • a compact protective switching device according to the invention can advantageously be implemented as a result of the division into two.
  • the release unit FG causes the actuation of the contacts of the mechanical isolating contact unit to be released by the handle HH when an enable signal is present in enable. Furthermore, the enabling unit FG can cause the contacts to open when an opening signal OEF is present. The release unit then acts as a trigger unit.
  • the functionality of the electronic interruption unit is checked by the electronic interruption unit briefly ( ⁇ 10ms, preferably ⁇ lms) on and immediately off again and at the same time measured voltage values and/or measured current values are recorded and these are analyzed in such a way that an alloyed or burned-out electronic interruption unit is identified or alloyed or blown switching elements are detected.
  • a first voltage sensor unit/voltage measuring unit across the electronic interrupting unit is proposed in order to determine the voltage across the electronic interrupting unit.
  • a third voltage sensor unit can be provided in parallel with the second voltage sensor unit. H . between the electronic interruption unit and the mechanical isolating contact contact unit is provided, this being connected on the one hand to the phase conductor and on the other hand to the neutral conductor.
  • the first voltage can be determined from the differential formation of the voltages between the second and third voltage sensor units. In this case, the first voltage sensor unit can be omitted.
  • a computer program product or Algorithm that the electronic interrupt unit or switches the semiconductor-based switching elements on and off at suitable times (instantaneous values of the mains voltage) and at the same time evaluates the measured current and voltage values in order to recognize that the electronic interruption unit is functional or is not functional.
  • the control unit SE can (for this purpose) have a microcontroller.
  • the computer program product can be executed on the microcontroller.
  • the computer program product includes instructions which, when the program is executed by the microcontroller, cause the microcontroller to control the protective switching device, in particular to support the method according to the invention, in particular to carry it out.
  • the computer program product can be stored on a computer-readable storage medium, such as a CD-ROM, a USB stick or the like.
  • a data carrier signal that transmits the computer program product can exist.
  • the point in time for switching the semiconductor-based switching elements depends on the polarity of the mains voltage that is currently present, so that individual switching elements can be checked in a targeted manner. Furthermore, the instantaneous value of the voltage can be taken into account when selecting the point in time.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis mit : - einem Gehäuse mit mindestens einem netzseitigen Anschluss und einem lastseitigen Anschluss, - einer mechanische Trennkontakteinheit, die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet ist, wobei die mechanische Trennkontakteinheit dem lastseitigen Anschluss und die elektronische Unterbrechungseinheit dem netz- seitigen Anschluss zugeordnet ist, - dass die mechanische Trennkontakteinheit durch ein Öffnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist, - dass die elektronische Unterbrechungseinheit durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist, - dass die Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis, insbesondere zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und lastseitigen Phasenleiteranschluss, ermittelt wird, - dass bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird, - dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit die elektronische Unterbrechungseinheit für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird.

Description

Beschreibung
Schutzschaltgerät und Verfahren
Die Erfindung betri f ft das technische Gebiet eines Schutz- schaltgerätes für einen Niederspannungsstromkreis mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit und ein Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit .
Mit Niederspannung sind Spannungen von bis zu 1000 Volt Wechselspannung oder bis zu 1500 Volt Gleichspannung gemeint . Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen gemeint , die größer als die Kleinspannung, mit Werten von 50 Volt Wechselspannung bzw . 120 Volt Gleichspannung, sind .
Mit Niederspannungsstromkreis bzw . -netz oder -anlage sind Stromkreise mit Nennströmen bzw . Bemessungsströmen von bis zu 125 Ampere , spezi fischer bis zu 63 Ampere gemeint . Mit Niederspannungsstromkreis sind insbesondere Stromkreise mit Nennströmen bzw . Bemessungsströmen von bis zu 50 Ampere , 40 Ampere , 32 Ampere , 25 Ampere , 16 Ampere oder 10 Ampere gemeint . Mit den genannten Stromwerten sind insbesondere Nenn- , Bemessungs- oder/und Abschaltströme gemeint , d . h . der Strom der im Normal fall maximal über den Stromkreis geführt wird bzw . bei denen der elektrische Stromkreis üblicherweise unterbrochen wird, beispielsweise durch eine Schutzeinrichtung, wie ein Schutzschaltgerät , Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter . Die Nennströme können sich weiter staf feln, von 0 , 5 A über 1 A, 2 A, 3 A, 4 A, 5 A, 6 A, 7 A, 8 A, 9 A, 10 A, usw . bis 16 A.
Leitungsschutzschalter sind seit langem bekannte Überstromschutzeinrichtungen, die in der Elektroinstallationstechnik in Niederspannungsstromkreisen eingesetzt werden . Diese schützen Leitungen vor Beschädigung durch Erwärmung infolge zu hohen Stromes und/oder Kurzschluss . Ein Leitungsschutzschalter kann den Stromkreis bei Überlast und/oder Kurzschluss selbsttätig abschalten . Ein Leitungsschutzschalter ist ein nicht selbsttätig zurückstellendes Sicherungselement .
Leistungsschalter sind, im Gegensatz zu Leitungsschutzschaltern, für Ströme größer als 125 A vorgesehen, teilweise auch schon ab 63 Ampere . Leitungsschutzschalter sind deshalb einfacher und filigraner auf gebaut . Leitungsschutzschalter weisen üblicherweise eine Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung auf einer so genannten Hutschiene ( Tragschiene , DIN- Schiene , TH35 ) auf .
Leitungsschutzschalter sind elektromechanisch auf gebaut . In einem Gehäuse weisen sie einen mechanischen Schaltkontakt bzw . Arbeitsstromauslöser zur Unterbrechung (Auslösung) des elektrischen Stromes auf . Üblicherweise wird ein Bimetall- Schutzelement bzw . Bimetall-Element zur Auslösung (Unterbrechung) bei länger anhaltenden Überstrom (Überstromschutz ) respektive bei thermischer Überlast (Überlastschut z ) eingesetzt . Ein elektromagnetischer Auslöser mit einer Spule wird zur kurz zeitigen Auslösung bei Überschreiten eines Überstromgrenzwerts bzw . im Falle eines Kurzschlusses (Kurzschlussschutz ) eingesetzt . Eine oder mehrere Lichtbogenlöschkammer (n) bzw . Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung sind vorgesehen . Ferner Anschlusselemente für Leiter des zu schützenden elektrischen Stromkreises .
Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit sind relativ neuartige Entwicklungen . Diese weisen eine halbleiterbasierte elektronische Unterbrechungseinheit auf . D . h . der elektrische Stromfluss des Niederspannungsstromkreises wird über Halbleiterbauelemente respektive Halbleiterschalter geführt , die den elektrischen Stromfluss unterbrechen bzw . leitfähig geschaltet werden können . Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit weisen ferner häufig ein mechanisches Trennkontaktsystem auf , insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß einschlägigem Normen für Niederspannungsstromkreise, wobei die Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet sind, d.h. der Strom des zu schützenden Niederspannungsstromkreises wird sowohl über das mechanische Trennkontaktsystem als auch über die elektronische Unterbrechungseinheit geführt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Niederspannungswechselstromkreise, mit einer Wechselspannung, üblicherweise mit einer zeitabhängigen sinusförmigen Wechselspannung mit der Frequenz f. Die zeitliche Abhängigkeit des momentanen Spannungswertes u(t) der Wechselspannung ist durch die Gleichung: u(t) = U * sin (2n * f * t) beschrieben. Wobei: u(t) = momentaner Spannungswert zu der Zeit t
U = Amplitude der Spannung
Eine harmonische Wechselspannung lässt sich durch die Rotation eines Zeigers darstellen, dessen Länge der Amplitude (U) der Spannung entspricht. Die Momentanauslenkung ist dabei die Projektion des Zeigers auf ein Koordinatensystem. Eine Schwingungsperiode entspricht einer vollen Umdrehung des Zeigers und dessen Vollwinkel beträgt 2n (2Pi) bzw. 360°. Die Kreisfrequenz ist die Änderungsrate des Phasenwinkels dieses rotierenden Zeigers. Die Kreisfrequenz einer harmonischen Schwingung beträgt immer das 2n-fache ihrer Frequenz, d.h. :
M = 2n*f = 2n/T = Kreisfrequenz der Wechselspannung (T = Periodendauer der Schwingung)
Häufig wird die Angabe der Kreisfrequenz (CD) gegenüber der Frequenz (f) bevorzugt, da sich viele Formeln der Schwingungslehre aufgrund des Auftretens trigonometrischer Funktionen, deren Periode per Definition 2n ist, mit Hilfe der Kreisfrequenz kompakter darstellen lassen: u ( t ) = U * sin (cot )
Im Falle zeitlich nicht konstanter Kreisfrequenzen wird auch der Begriff momentane Kreisfrequenz verwendet.
Bei einer sinusförmigen, insbesondere zeitlich konstanten, Wechselspannung entspricht der zeitabhängige Wert aus der Winkelgeschwindigkeit co und der Zeit t dem zeitabhängigen Winkel cp(t) , der auch als Phasenwinkel cp(t) bezeichnet wird. D.h. der Phasenwinkel cp ( t ) durchläuft periodisch den Bereich O...2n bzw. 0°...360°. D.h. der Phasenwinkel nimmt periodisch einen Wert zwischen 0 und 2n bzw. 0° und 360° an (cp = n* (0...2n) bzw. cp = n* ( 0 °...360 ° ) , wegen Periodizität; verkürzt: cp = O...2n bzw. cp = 0°...360° ) .
Mit momentanem Spannungswert u(t) ist folglich der momentane Wert der Spannung zum Zeitpunkt t, d.h. bei einer sinusförmigen (periodischen) Wechselspannung der Wert der Spannung zum Phasenwinkel cp gemeint (cp = O.,.2n bzw. cp = 0°...360°, der jeweiligen Periode) .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schutzschaltgerät eingangs genannter Art zu verbessern, insbesondere die Sicherheit eines derartigen Schutzschaltgerätes zu verbessern bzw. eine höhere Sicherheit im durch das Schutzschaltgerät zu schützenden elektrischen Niederspannungsstromkreis zu erreichen .
Diese Aufgabe wird durch ein Schutzschaltgeräte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises, insbesondere Niederspannungswechselstromkreises, vorgeschlagen, aufweisend: - ein Gehäuse mit mindestens einem netzseitigen Anschluss und einem lastseitigen Anschluss ,
- eine mechanische Trennkontakteinheit , die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet ist , wobei die mechanische Trennkontakteinheit dem lastseitigen Anschluss und die elektronische Unterbrechungseinheit dem netzseitigen Anschluss zugeordnet ist ,
- dass die mechanische Trennkontakteinheit durch ein Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die elektronische Unterbrechungseinheit durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- einer Stromsensoreinheit , zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises ,
- einer Steuerungseinheit , die mit der Stromsensoreinheit , der mechanischen Trennkontakteinheit und der elektronischen Unterbrechungseinheit verbunden ist , wobei bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird .
Das Schutzschaltgerät ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet , dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit die elektronische Unterbrechungseinheit für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird . D . h . die elektronischer Unterbrechungseinheit wird ausgehend vom hochohmigen Zustand für eine erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand geschaltet und ist anschließend wieder im hochohmigen Zustand .
Die erste Zeitspanne kann im Bereich 100 ps bis 1 ms liegen . Beispielsweise 100 ps , 200 ps , ..., 1 ms ; j eder Zwischenwert ist möglich und of fenbart . Dies hat den besonderen Vorteil , dass die elektronische Unterbrechungseinheit hinsichtlich ihrer „Einschaltbarkeit" überprüft werden kann . Erfindungsgemäß wird somit eine erhöhte Betriebssicherheit eines Schutz- schaltgerätes erzielt . Ferner wird eine neue Architektur bzw . konstruktive Ausgestaltung eines Schutzschaltgerätes vorgeschlagen .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und im Aus führungsbeispiel angegeben .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass ( für einen Leiter ) die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelbar ist .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass speziell die Höhe der Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt und lastseitigen Verbindungspunkt der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelbar ist bzw . ermittelt wird .
Hierzu kann mindestens eine , mit der Steuerungseinheit verbundene , Spannungssensoreinheit vorgesehen sein . Bei mehreren Spannungssensoreinheiten sind diese mit der Steuerungseinheit verbunden .
Mit der Ermittlung der Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit kann die Ermittlung der Funktions fähigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit vorteilhaft einfach unterstützt werden . Es wird somit eine erhöhte Betriebssicherheit eines Schutzschaltgerätes erzielt . Ferner wird eine neue Architektur bzw . konstruktive Ausgestaltung eines Schutzschaltgerätes vorgeschlagen .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass bei der Schaltung der elektronischen Unterbrechungseinheit für die erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt wird . Hierbei (beim niederohmigen Zustand) wird die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt . Bei Überschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes liegt eine erste Fehlerbedingung vor, so dass ein ( insbesondere weiteres ) niederohmig werden (bzw . erneutes niederohmig werden) der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden wird oder/und Öf fnen der Kontakte initiiert wird .
Der erste Spannungsschwellwert sollte bevorzug kleiner als 1
V sein . Der erste Spannungsschwellwert kann zwischen 0 Volt (bzw . größer 0 Volt ) und kleiner ( z . B . 10 % Kleiner ) als der
Momentanwert der momentan angelegten Wechselspannung sein ( speziell bei einer Überwachung bzw . einem Vergleich von Momentanwerten) .
Die erste Zeitspanne kann sehr kurz sein . Beispielsweise kann die zweite Zeitspanne kleiner als 1 ms sein, speziell zum Beispiel 500 ps oder 100 ps lang sein .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass auch in diesem Betriebs zustand eine Überprüfung der Einschaltbarkeit elektronischen Unterbrechungseinheit ermöglicht wird .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die elektronische Unterbrechungseinheit dann in einen niederohmigen Zustand geschaltet , wenn der Momentanwert der Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss und netzseitigen Phasenleiteranschluss einen zweiten Spannungsschwellwert unterschreitet .
Der zweite Spannungsschwellwert kann ein Wert der ( Schutz- ) Kleinspannung sein . Beispielsweise kann der zweite Spannungsschwellwert 50 V oder kleiner sein .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine Überprüfung der elektronischen Unterbrechungseinheit hinsichtlich ihres Einschaltbarkeit mit einer Spannung bzw . zu Zeitpunkten der (momentanen) Spannungshöhe erfolgt , die ungefährlich ist . Somit wird eine hohe Betriebssicherheit bei gleichzeitiger Überprüfung des Schutzschaltgerätes erreicht .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit der Steuerungseinheit verbundene erste Spannungssensoreinheit vorgesehen ist , die die Höhe einer ersten Spannung zwischen einem netzseitigen Verbindungspunkt und einem lastseitigen Verbindungspunkt der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt . Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine einfache Lösung mit nur einer Spannungssensoreinheit gegeben ist .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist alternativ eine mit der Steuerungseinheit verbundene zweite Spannungssensoreinheit vorgesehen, die die Höhe einer zweiten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss und netzseitigen Phasenleiteranschluss ermittelt . Weiterhin ist eine mit der Steuerungseinheit verbundene dritte Spannungssensoreinheit vorgesehen, die die Höhe einer dritten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss und lastseitigen Verbindungspunkt der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt . Das Schutzschaltgerät ist derart ausgestaltet , dass aus der Di f ferenz zwischen zweiter und dritter Spannung die Höhe einer/der ersten Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt und lastseitigen Verbindungspunkt der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt wird .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine weitere Lösung, basierend auf klassischen Spannungsmessungen gegeben ist . Zudem wird eine weiterreichende Prüfung des Schutzschaltgerätes ermöglicht .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stromsensoreinheit stromkreisseitig zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und lastseitigen Phasenleiteranschluss vorgesehen .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine kompakte Zweiteilung des Gerätes gegeben ist , mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit im Phasenleiter nebst Stromsensoreinheit einerseits und einem durchgehenden Neutralleiter andererseits . Ferner wird mit einer Stromsensoreinheit im Phasenleiter eine weitergehende Überwachung bezüglich Ströme sowohl im Stromkreis selbst als auch bei Erdfehlerströmen erreicht .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Niederspannungsstromkreis ein Dreiphasenwechselstromkreis . Das Schutzschaltgerät weist weitere netzseitige und lastseitige Phasenleiteranschlüsse auf , um die Phasen des elektrischen Stromkreises zu schützen . Zwischen j edem der netzseitigen und lastseitigen Phasenleiteranschlüsse ist j eweils eine elektronische Unterbrechungseinheit mit einer erfindungsgemäßen Spannungsermittlung, insbesondere ersten Spannungssensoreinheiten, vorgesehen . Zwischen j edem der netzseitigen und lastseitigen Phasenleiteranschlüsse ist zudem ein Kontakt der mechanischen Trennkontakteinheit vorgesehen .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass ein Schutz für Dreiphasenwechselstromkreis ermöglicht wird .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit durch die Steuerungseinheit geöf fnet , aber nicht geschlossen werden können .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine erhöhte Betriebssicherheit erreicht wird, da die Kontakte versehentlich durch die Steuerungseinheit nicht geschlossen werden können .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mechanische Trennkontakteinheit durch eine mechanische Handhabe bedienbar, um ein Öf fnen von Kontakten oder ein Schließen der Kontakte zu schalten .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass die Funktionalität eines klassischen Leitungsschutzschalters gegeben ist .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Energieversorgung, insbesondere für die Steuerungseinheit , vorgesehen, die mit dem netzseitigen Neutralleiteranschluss und dem netzseitigen Phasenleiteranschluss verbunden ist . Speziell ist in der Verbindung zum netzseitigen Neutralleiteranschluss eine Sicherung, insbesondere Schmel zsicherung, vorgesehen . Vorteilhaft kann speziell die Messimpedanz über die Sicherung mit dem netzseitigen Neutralleiteranschluss verbunden sein .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine kompakte elektronische Baugruppe ermöglicht wird . Ferner gibt es nur eine Querverbindung zwischen Phasenleiter und Neutralleiter, sodass ein Fehler im Gerät , der hier einen Kurzschluss verursachen würde , leicht zu schützen ist .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmiger Unterbrechungseinheit und
- bei einem ermittelten Strom, der einen ersten Stromwert überschreitet , insbesondere dass der erste Stromwert für eine erste Zeitgrenze überschritten wird, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit geschlossen bleibt ,
- bei einem ermittelten Strom, der einen (höheren) zweiten Stromwert , insbesondere für eine zweite Zeitgrenze , überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit geöf fnet wird,
- bei einem ermittelten Strom, der einen (noch höheren) dritten Stromwert überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit geöf fnet wird .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass ein abgestuftes Abschaltkonzept bei erhöhten Strömen für ein erfindungsgemäßes Schutzschaltgerät vorliegt .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerungseinheit einen Mikrocontroller auf .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass die erfindungsgemäßen Funktionen zur Erhöhung der Sicherheit eines Schutzschaltgerätes bzw . des zu schützenden elektrischen Niederspannungsstromkreis durch ein ( anpassbares ) Computerprogrammprodukt realisiert werden können . Ferner können Änderungen und Verbesserungen der Funktion dadurch individuell auf ein Schutzschaltgerät geladen werden .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit elektronischen (halbleiterbasierten) Schaltelementen mit den gleichen und weiteren Vorteilen beansprucht . Das Verfahren für ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis mit :
- einem Gehäuse mit mindestens einem netzseitigen Anschluss und einem lastseitigen Anschluss ,
- einer mechanische Trennkontakteinheit , die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet ist , wobei die mechanische Trennkontakteinheit dem lastseitigen Anschluss und die elektronische Unterbrechungseinheit dem netzseitigen Anschluss zugeordnet ist ,
- dass die mechanische Trennkontakteinheit durch ein Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die elektronische Unterbrechungseinheit durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis , insbesondere zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und lastseitigen Phasenleiteranschluss , ermittelt wird,
- dass bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird .
Zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit wird die elektronische Unterbrechungseinheit für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet .
Bei der Schaltung der elektronischen Unterbrechungseinheit für die erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand wird die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt . Bei Überschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes ( im niederohmigen Zustand) liegt eine erste Fehlerbedingung vor, so dass ein weiteres niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden wird oder/und Öf fnen der Kontakte initiiert wird . Vorteilhaft wird die elektronische Unterbrechungseinheit dann in einen niederohmigen Zustand geschaltet , wenn der Momentanwert der Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss und netzseitigen Phasenleiteranschluss einen zweiten Spannungsschwellwert unterschreitet .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt beansprucht . Das Computerprogrammprodukt umfass Befehle , die bei der Aus führung des Programms durch einen Mikrocontroller diesen veranlassen die Sicherheit eines derartigen Schutzschaltgerätes zu verbessern bzw . eine höhere Sicherheit im durch das Schutzschaltgerät zu schützenden elektrischen Niederspannungsstromkreis zu erreichen .
Der Mikrocontroller ist Teil des Schutzschaltgerätes , insbesondere der Steuerungseinheit .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt gespeichert ist , beansprucht .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Datenträgersignal , das das Computerprogrammprodukt überträgt , beansprucht .
Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw . 14 , als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, insbesondere auch ein Rückbezug der anhängigen Anordnungsansprüche auf den unabhängigen Verfahrensanspruch, bewirken eine Verbesserung eines Schutzschaltgerätes , insbesondere eine Verbesserung der Sicherheit eines Schutz- schaltgerätes bzw . des elektrischen Stromkreises , und stellen ein neues Konzept für ein Schutzschaltgerät bereit .
Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Aus führungsbeispiele , die im
Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden .
Dabei zeigt die Zeichnung :
Figur 1 eine erste Darstellung eines Schutzschaltgerätes ,
Figur 2 eine zweite Darstellung eines Schutzschaltgerätes ,
Figur 3 eine dritte Darstellung eines Schutzschaltgerätes ,
Figur 4 eine Darstellung mit ersten Spannungsverläufen,
Figur 5 eine Darstellung mit zweiten Spannungsverläufen,
Figur 6 eine vierte Darstellung eines Schutzschaltgerätes .
Figur 1 zeigt eine Darstellung eines Schutzschaltgerätes SG zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises , insbesondere Niederspannungswechselstromkreis , mit einem Gehäuse GEH, aufweisend :
- einen netzseitigen Neutralleiteranschluss NG, einem netzseitigen Phasenleiteranschluss LG, einem lastseitigen Neutralleiteranschluss NL, einem lastseitigen Phasenleiteranschluss LL des Niederspannungsstromkreises ; an der Netzseite GRID ist üblicherweise eine Energiequelle angeschlossen, an der Lastseite LOAD ist üblicherweise ein Verbraucher angeschlossen;
- eine ( zweipolige ) mechanische Trennkontakteinheit MK mit lastseitigen Anschlusspunkten APLL, APNL und netzseitigen Anschlusspunkten APLG, APNG, wobei für den Neutralleiter ein lastseitiger Anschlusspunkt APNL, für den Phasenleiter ein lastseitiger Anschlusspunkt APLL, für den Neutralleiter ein netzseitiger Anschlusspunkt APNG, für den Phasenleiter ein netzseitiger Anschlusspunkt APLG vorgesehen ist . Die lastseitigen Anschlusspunkte APNL, APLL sind mit den lastseitigen Neutral- und Phasenleiteranschlüssen NL, LL verbunden, so dass ein Öf fnen von Kontakten KKN, KKL zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- eine , insbesondere einpolige , elektronische Unterbrechungseinheit EU, ( die bei einpoliger Aus führung insbesondere im Phasenleiter angeordnet ist , ) mit einem netzseitigen Verbindungspunkt EUG, der mit dem netzseitigen Phasenleiteranschluss LG in elektrischer Verbindung steht , und einem lastseitigen Verbindungspunkt EUL, der mit dem netzseitigen Anschlusspunkt APLG der mechanischen Trennkontakteinheit MK in elektrischer Verbindung steht bzw . verbunden ist , wobei die elektronische Unterbrechungseinheit durch halbleiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Nieder spannungs Stromkreis aufweist ,
- eine Stromsensoreinheit S I , zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises , die insbesondere im Phasenleiter angeordnet ist ,
- einer Steuerungseinheit SE , die mit der Stromsensoreinheit S I , der mechanischen Trennkontakteinheit MK und der elektronischen Unterbrechungseinheit EU verbunden ist , wobei bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird .
Erfindungsgemäß ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass vorteilhaft die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelbar ist . D . h . die Höhe einer ersten Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt EUG und lastseitigen Verbindungspunkt EUL der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ist ermittelbar bzw . wird ermittelt .
Hierzu ist im Beispiel gemäß Figur 1 eine mit der Steuerungseinheit SE verbundene erste Spannungssensoreinheit SUI vorgesehen, die die Höhe der Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt EUG und lastseitigen Verbindungspunkt EUL der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ermittelt .
Bei der Spannungsmessung durch die erste Spannungssensoreinheit SUI kann alternativ auch die Spannung über der Serienschaltung von elektronischer Unterbrechungseinheit EU und Stromsensor S I ermittelt werden, wie in Figur 1 dargestellt . Die Stromsensoreinheit S I weist einen sehr geringen Innenwiderstand auf , so dass die Ermittlung der Höhe der Spannung nicht oder vernachlässigbar beeinträchtigt wird .
Ferner kann zwischen den netzseitigen Anschlusspunkten APLG, APNG der mechanischen Trennkontakteinheit MK eine Messimpedanz ZM geschaltet . Die Messimpedanz ZM kann beispielsweise ein elektrischer Widerstand oder/und Kondensator sein . Die Messimpedanz kann ferner eine Induktivität sein . Insbesondere kann die Messimpedanz eine Serienschaltung oder Parallelschaltung eines Widerstandes oder/und Kondensator oder/und Induktivität sein .
Vorteilhafterweise kann eine zweite Spannungssensoreinheit SU2 vorgesehen ist , die die Höhe der Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss NG und netzseitigen Phasenleiteranschluss LG ermittelt .
Die erste Spannungssensoreinheit kann auch ersetzt werden, in dem zwei Spannungsmessungen (vor der elektronischen Unterbrechungseinheit und nach der elektronischen Unterbrechungseinheit ) verwendet werden . Durch eine Di f ferenzbildung wird die Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt .
So kann eine/die mit der Steuerungseinheit SE verbundene zweite Spannungssensoreinheit SU2 vorgesehen sein, die die Höhe einer zweiten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss (NG) und netzseitigen Phasenleiteranschluss ( LG) ermittelt . Ferner kann eine mit der Steuerungseinheit verbundene (nicht dargestellte ) dritte Spannungssensoreinheit SU3 vorgesehen sein, die die Höhe einer dritten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss NG und lastseitigen Verbindungspunkt EUL der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ermittelt . Das Schutzschaltgerät ist derart ausgestaltet , dass aus der Di f ferenz zwischen zweiter und dritter Spannung die Höhe einer/der ersten Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt EUG und lastseitigen Verbindungspunkt EUL der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ermittelt wird .
Im Beispiel gemäß Figur 1 ist die elektronische Unterbrechungseinheit EU einpolig ausgeführt , im Beispiel im Phasenleiter . Hierbei ist der netzseitige Anschlusspunkt APNG für den Neutralleiter der mechanischen Trennkontakteinheit MK mit den netzseitigen Neutralleiteranschluss NG des Gehäuses GEH verbunden .
Das Schutzschaltgerät SG ist vorteilhaft derart ausgestaltet , dass die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit MK durch die Steuerungseinheit SE geöf fnet , aber nicht geschlossen werden können, was durch einen Pfeil von der Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakte Einheit MK angedeutet ist .
Die mechanische Trennkontakteinheit MK ist durch eine mechanische Handhabe HH am Schutzschaltgerät SG bedienbar, um ein manuelles (händisches ) Öf fnen oder ein Schließen der Kontakte KKL, KKN zu schalten . Die mechanische Handhabe HH zeigt den Schalt zustand ( Of fen oder Geschlossen) der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit MK am Schutzschaltgerät an . Des Weiteren kann die Kontaktstellung (bzw . die Position der Handhabe , geschlossen bzw . geöf fnet ) an die Steuerungseinheit SE übermittelbar sein . Die Kontaktstellung (bzw . die Position der Handhabe ) kann z . B . mittels eines Sensors ermittelt werden .
Die mechanische Trennkontakteinheit MK ist vorteilhaft derart ausgestaltet , dass ein (manuelles ) Schließen der Kontakte durch die mechanische Handhabe erst nach einer Freigabe (Enable ) , insbesondere einem Freigabesignal , möglich ist . Dies ist ebenfalls durch den Pfeil von der Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakte Einheit MK angedeutet . D . h . , die Kontakte KKL, KKN der mechanischen Trennkontakteinheit MK können durch die Handhabe HH erst bei Vorliegen der Freigabe bzw . des Freigabesignals (von der Steuerungseinheit ) geschlossen werden . Ohne die Freigabe bzw . das Freigabesignal kann die Handhabe HH zwar betätigt , die Kontakte aber nicht geschlossen werden ( „Dauerrutscher" ) .
Das Schutzschaltgerät SG weist eine Energieversorgung NT , beispielsweise ein Netzteil , auf . Insbesondere ist die Energieversorgung NT für die Steuerungseinheit SE vorgesehen, was durch eine Verbindung zwischen Energieversorgung NT und Steuerungseinheit SE in Figur 1 angedeutet ist . Die Energieversorgung NT ist ( andererseits ) mit dem netzseitigen Neutralleiteranschluss NG und dem netzseitigen Phasenleiteranschluss LG verbunden . In die Verbindung zum netzseitigen Neutralleiteranschluss NG ( oder/und Phasenleiteranschluss LG) kann vorteilhaft eine Sicherung SS , insbesondere Schmel zsicherung, vorgesehen sein .
Alternativ kann die Messimpedanz ZM über die Sicherung SS mit dem netzseitigen Neutralleiteranschluss NG verbunden sein . Damit kann vorteilhaft eine dreipolige Elektronikeinheit EE ( Fig 6 ) realisiert werden, beispielsweise als Modul , die drei
Anschlusspunkte aufweist , einen Neutralleiteranschlusspunkt und zwei Phasenleiteranschlusspunkte . Die Elektronikeinheit EE weist beispielsweise die elektronische Unterbrechungseinheit EU, die Steuerungseinheit SE , die Energieversorgung NT ( insbesondere inklusive Sicherung SS ) , die Stromsensoreinheit S I , die erste Spannungssensoreinheit SUI und optional die zweite Spannungssensoreinheit SU2 auf .
Der Niederspannungsstromkreis kann ein Dreiphasenwechselstromkreis sein, mit einem Neutralleiter und drei Phasenleitern . Das Schutzschaltgerät kann hierfür als dreiphasige Variante ausgestaltet sein und beispielsweise weitere netzseitige und lastseitige Phasenleiteranschlüsse aufweisen . Zwischen den weiteren netzseitigen und lastseitigen Phasenleiteranschlüssen sind in analoger Weise j eweils erfindungsgemäße elektronische Unterbrechungseinheiten und Spannungsermittlungen ( z . B . durch erste Spannungssensoreinheiten) vorgesehen . Ebenso Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit .
Mit hochohmig ist ein Zustand gemeint , bei dem nur noch ein Strom vernachlässigbarer Größe fließt . Insbesondere sind mit hochohmig Widerstandswerte von größer als 1 Kiloohm, besser größer als 10 Kiloohm, 100 Kiloohm, 1 Megaohm, 10 Megaohm, 100 Megaohm, 1 Gigaohm oder größer gemeint .
Mit niederohmig ist ein Zustand gemeint , bei dem der auf dem Schutzschaltgerät angegebene Stromwert fließen könnte . Insbesondere sind mit niederohmig Widerstandswerte gemeint , die kleiner als 10 Ohm, besser kleiner als 1 Ohm, 100 Milliohm, 10 Milliohm, 1 Milliohm oder kleiner sind .
Figur 2 zeigt eine Abbildung gemäß Figur 1 , mit dem Unterschied, dass an der Netzseite GRID eine Energiequelle EQ mit einer Nennspannung UN des Niederspannungsstromkreises angeschlossen ist . Ferner an der Lastseite LOAD ein Verbraucher bzw . Energiesenke ES angeschlossen ist .
Weiterhin ist bei der Verbindung von Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakte Einheit MK ein Freigabesignal enable eingezeichnet .
Die mechanische Trennkontakteinheit MK ist in einem geöf fneten Zustand OFF dargestellt , d . h . mit geöf fneten Kontakten KKN, KKL zur Vermeidung eines Stromflusses .
Das Schutzschaltgerät SG arbeitet beispielsweise prinzipiell derart , dass bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmiger Unterbrechungseinheit und
- bei einem ermittelten Strom, der einen ersten Stromwert überschreitet , insbesondere dass der erste Stromwert für eine erste Zeitgrenze überschritten wird, die elektronische Unterbrechungseinheit EU hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit MK geschlossen bleibt ,
- bei einem ermittelten Strom, der einen höheren zweiten Stromwert , insbesondere für eine zweite Zeitgrenze , überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit EU hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit MK geöf fnet wird,
- bei einem ermittelten Strom, der einen noch höheren dritten Stromwert überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit MK geöf fnet wird .
Figur 3 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 2 , mit verschiedenen Unterschieden . Die Spannungen am und im Schutzschaltgerät sind näher dargestellt :
- die Nennspannung UN der Energiequelle EQ des Niederspannungsstromkreises ,
- die zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss NG und netzseitigen Phasenleiteranschluss LG anliegende Netzspannung UL ,
- die im Schutzschaltgerät durch die zweite Spannungssensoreinheit SU2 gemessene zweite Spannung U2 bzw . UM, GND ?
- die mit der ersten Spannungssensor Einheit SUI über der elektronischen Unterbrechungseinheit EU gemessene erste Spannung Ul bzw . Usw
In dieser Variante gemäß Figur 3 wird die erste Spannung Ul (bzw . Usw) direkt über der elektronischen Unterbrechungseinheit gemessen ( d . h . ohne Stromsensoreinheit S I ) . Die zweite Spannung U2 (bzw . UN,GND) entspricht der Netzspannung ULN abzüglich des (minimalen) Spannungsabfalls über der Stromsensoreinheit S I sowie den ohmschen Verlusten .
Weiter ist ein Detail der elektronischen Unterbrechungseinheit EU dargestellt , wobei die ( einpolige ) elektronische Unterbrechungseinheit EU halbleiterbasierte Schaltelemente TI , T2 aufweist . Im Beispiel gemäß Figur 3 sind zwei in Serie geschaltete halbleiterbasierte Schaltelemente TI , T2 vorgesehen . Vorteilhaft ist über der Serienschaltung der beiden halbleiterbasierten Schaltelementen TI , T2 eine Überspannungsschutzeinrichtung TVS vorgesehen . In der Ausgestaltung gemäß Figur 3 sind zwei unidirektionale elektronische Schaltelemente in Serie geschaltet ( antiseriell ) . Das erste unidirektionale Schaltelement ist hierbei in einer ersten Stromrichtung schaltbar angeordnet und das zweite unidirektionale Schaltelement in der entgegengesetzten Stromrichtung schaltbar angeordnet , wobei die unidirektiona- len Schaltelemente entgegen ihrer Stromschaltrichtung ( direkt oder indirekt , z . B . durch interne oder extern parallel geschaltete Dioden) leitend sind . Insbesondere ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass das erste und das zweite Schaltelement unabhängig voneinander schaltbar sind .
In Figur 3 ist ferner eine netzseitige Leitungsinduktivität Lgrid mit zugehörigen Spannungsabfall ULgrid sowie netzseitigen Strom igrid eingezeichnet . Zudem ist der lastseitige Strom iload nebst lastseitigen Spannungsabfall ULoad über dem Verbraucher bzw . der Energie Senke ES eingezeichnet . Die Energiesenke ES ist mit ihrem induktiven und ohmschen Anteil dargestellt .
Im Folgenden wird folgende Situation betrachtet :
- Es liegt Nennspannung bzw . Netzspannung ( z . B . 230 V AC ) am netzseitigen Anschluss LG, NG bzw . Netzseite GRID bzw . Netzanschluss des Schutzschaltgerätes an,
- Es ist ein Verbraucher bzw . Energiesenke ES bzw . Last an der Lastseite LOAD des Schutzschaltgerätes angeschlossen,
Figur 3 zeigt den Unterschied, dass die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit geschlossen sind und die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig ist .
Das Schutzschaltgerät ist derart ausgestaltet , dass bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit MK und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit EU die elektronische Unterbrechungseinheit EU für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird, dann die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt wird ( im niederohmigen Zustand) . Bei Überschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes liegt eine erste Fehlerbedingung vor, die ein (weiteres ) niederohmig schalten der elektronischen Unterbrechungseinheit vermeidet oder/und ein Öf fnen der Kontakte initiiert .
Dies ist in Figur 8 dadurch angedeutet , dass die Verbindung zwischen Steuerungseinheit SE und elektronischer Unterbrechungseinheit EU ein Rechtecksignal aufweist , dass im Zustand of f ( aus ) ist und kurz zeitig in den Zustand on ( ein) geschaltet wird . D . h . kurz zeitig ( erste Zeitspanne ) wird die elektronische Unterbrechungseinheit EU in einen niederohmigen Zustand geschaltet . Die elektronische Unterbrechungseinheit kann gegebenenfalls mehrfach zur Prüfung der Funktions fähigkeit in den niederohmigen Zustand geschaltet werden, was z . B . durch zwei aufeinanderfolgende Zustände on ( ein) des Rechtecksignals angedeutet ist .
Liegt die erste Fehlerbedingung vor, wird ein Öf fnungssignal OEF von der Steuerungseinheit SE an die mechanische Trennkontakteinheit MK gesendet , um ein Öf fnen der Kontakte zu initiieren, wie in Figur 3 angedeutet . Das Öf fnen der mechanischen Kontakte wird bevorzugt kurz vor dem Stromnulldurchgang durchgeführt , sodass die mechanischen Schaltkontakte den Stromfluss leichter unterbrechen können, Kontaktabbrand bzw . ein Lichtbogen vermieden wird . Ferner kann die Steuerungseinheit SE ein Signal zum niederohmig werden für die elektronische Unterbrechungseinheit vermeiden bzw . unterdrücken .
Vorteilhaft wird die elektronische Unterbrechungseinheit dann in einen niederohmigen Zustand geschaltet , wenn der Momentanwert der Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss und netzseitigen Phasenleiteranschluss einen zweiten Spannungsschwellwert unterschreitet .
Vorteilhaft wird der Zeitpunkt zum Einschalten bei kleinen momentanen Spannungswerten ( kleiner als der zweite Spannungsschwellwert ) gewählt , um den hierdurch entstehenden Messstrom durch den Verbraucher / die Energiesenke / die Last zu minimieren . Ferner, um einen Personenschutz zu gewährleisten . Der zweite Spannungsschwellwerte kann beispielsweise 50 V Wechselspannung betragen . D . h . beim Einschalten werden nur ungefährliche ( Schutz- ) Kleinspannungen verwendet .
Figur 3 zeigt die prinzipielle Übersicht für die Überprüfung der elektronischen Unterbrechungseinheit in einem so genannten Control- bzw . Standby-Zustand . In diesem Zustand ist die mechanische Trennkontakteinheit geschlossen und die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig . Durch kurz zeitiges Einschalten der elektronischen Unterbrechungseinheit bzw . deren halbleiterbasierter Schaltelemente kann j e nach angelegter Spannungspolarität die Funktionalität der Schaltelemente TI oder T2 geprüft werden .
Figur 4 zeigt Spannungs- und Stromverläufe beim Test durch kurz zeitiges Einschalten der elektronischen Unterbrechungseinheit ( für ein funktions fähiges Schutzschaltgerät ) .
Auf der vertikalen y-Achse ist die Höhe der Spannung in Volt bzw . des Stroms in mA und auf der hori zontalen x-Achse die Zeit in Millisekunden ms aufgetragen .
In der oberen Grafik von Figur 9 zum Zeitpunkt t= 10 ms ein erster Einschaltimpuls Ei l und zum Zeitpunkt t= 20 ms ein zweiter Einschaltimpuls EI2 der halbleiterbasierten Schaltelemente eingezeichnet ist .
In der mittleren Grafik sind die lastseitigen Spannungsverläufe ULoad und die lastseitige Stromverläufe iload über der Zeit t in ms dargestellt . Beim ersten Einschaltimpuls Ei l und beim zweiten Einschaltimpuls AI2 ist j eweils eine lastseitige Stromänderung bzw . ein Stromimpuls feststellbar .
In der unteren Grafik ist der Verlauf der ersten Spannung Ul über der Zeit t in ms eingezeichnet . Zum Zeitpunkt des ersten und zweiten Einschaltimpulses El l , EI2 ist eine Spannungsänderung bzw . Spannungseinbruch der ersten Spannung Ul erkennbar, die detektiert werden kann ( keine Überschreitung erster Spannungsschwellwert ) . Im Ideal fall ist die Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit nach dem Einschalten bzw . während der Einschaltdauer Null bzw . nahe Null Volt
( kleiner als 1 Volt ) . Figur 9 zeigt dies beispielhaft für ein funktions fähiges Gerät . In der positiven Halbwelle kann beispielsweise das Schaltelement T2 überprüft werden . In der negativen Halbwelle kann beispielsweise das Schaltelement TI überprüft werden .
Figur 5 zeigt eine Abbildung gemäß Figur 4 , mit dem Unterschied, dass beispielhafte Strom- und Spannungsverläufe für ein defektes Schutzschaltgerät mit einer defekten elektronischen Unterbrechungseinheit , bei der das halbleiterbasierte Schaltelement T2 durchgebrannt ist , dargestellt ist .
In der mittleren Grafik zeigt der Stromverlauf beim Einschalten nur unsymmetrische Ausschläge , ferner ist in der unteren Grafik bei der ersten Spannung kein Spannungseinbruch feststellbar . Der zweite Spannungsschwellwert wurde überschritten . Die erste Fehlerbedingung liegt vor . Ein Öf fnen der Kontakte der der mechanischen Trennkontakte Einheit wird initiiert , um Sicherheit im Niederspannungsstromkreis herzustellen .
Figur 6 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 1-3 , mit dem Unterschied, dass das Schutzschaltgerät zweiteilig aufgebaut ist . Es enthält einen elektronischen ersten Teil EPART , beispielsweise auf einer Leiterplatte / Printed Circuit Board . Der erste Teil EPART kann die Steuerungseinheit SE , die erste Spannungssensoreinheit SUI , die zweite Spannungssensoreinheit SU2 , die Stromsensoreinheit S I , die elektronische Unterbrechungseinheit EU, die Energieversorgung NT , aufweisen . Ferner kann der erste Teil die Schmel zsicherung SS , einen Schalter SCH, die Meßimpedanz ZM, einen Temperatursensor TEM ( insbesondere für die elektronische Unterbrechungseinheit EU) , eine Kommunikationseinheit COM, eine Anzeigeeinheit DISP aufweisen .
Der erste Teil EPART weist nur drei Anschlüsse auf :
- den netzseitigen Phasenleiter Anschluss LG,
- einen Anschluss für den bzw . zum netzseitigen Phasenleiteranschlusspunkt APLG der mechanischen Trennkontakteinheit MK,
- einen Anschluss für eine Verbindung zum netzseitigen Neutralleiteranschluss NG . Das Schutzschaltgerät enthält einen, insbesondere mechanischen, zweiten Teil MPART . Der zweite Teil MPART kann die mechanische Trennkontakteinheit MK, die Handhabe HH, eine Freigabeeinheit FG aufweisen . Ferner kann der zweite Teil eine Positionseinheit POS , zur Meldung der Position der Kontakte der mechanischen Trennkontakte Einheit MK an die Steuerungseinheit , sowie die (Neutralleiter- ) Verbindung ( en) aufweisen . Es können weitere , nicht näher bezeichnete , Einheiten vorgesehen sein .
Durch die Zweiteilung lässt sich vorteilhaft ein erfindungsgemäßes kompaktes Schutzschaltgerät realisieren .
Die Freigabeeinheit FG bewirkt eine Freigabe der Betätigung der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit durch die Handhabe HH, wenn ein Freigabesignal in enable vorliegt . Ferner kann die Freigabeeinheit FG ein Öf fnen der Kontakte bewirken, wenn ein Öf fnungssignal OEF vorliegt . Die Freigabeeinheit agiert dann als Auslöseeinheit .
Im Folgenden soll die Erfindung nochmals zusammengefasst und näher erläutert werden .
Beispielhaft vorgeschlagen wird ein elektronisches Schutz- und Schaltgerät mit :
- Gehäuse mit netzseitigen und lastseitigen Anschlüssen
- Spannungssensoreinheit zur Messung der Netzspannung
- Stromsensoreinheit zur Messung des ( Last ) Stromes
- mechanische Trennkontakteinheit inkl . Handhabe ( inkl . Anzeige der Kontaktstellung, Auslöser durch die Elektronik, Trennereigenschaf ten)
- elektronische Unterbrechungseinheit mit halbleiterbasierten Schalt element en
- Steuerungseinheit
- die Funktions fähigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit wird überprüft , indem die elektronische Unterbrechungseinheit kurz zeitig (<10ms , bevorzugt <lms ) ein- und gleich wieder ausgeschaltet wird und gleichzeitig Spannungsmesswerte und/oder Strommesswerte erfasst werden und diese so analysiert werden, dass eine durchlegierte oder durchgebrannte elektronische Unterbrechungseinheit erkannt wird bzw . durchlegierte oder durchgebrannte Schaltelemente erkannt werden .
Es wird eine erste Spannungssensoreinheit / Spannungsmesseinheit über der elektronischen Unterbrechungseinheit vorgeschlagen, um die Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit zu bestimmen . Alternativ kann parallel zur zweiten Spannungssensoreinheit eine dritte Spannungssensoreinheit vorgesehen sein, die am lastseitigen Anschluss der elektronischen Unterbrechungseinheit , d . h . zwischen elektronischer Unterbrechungseinheit und mechanischer Trennkontakte Kontakteinheit vorgesehen ist , wobei diese einerseits mit dem Phasenleiter und andererseits mit dem Neutralleiter verbunden ist . Aus der Di f ferenzbildung der Spannungen zwischen zweiter und dritter Spannungssensoreinheit kann die erste Spannung ermittelt werden . Die erste Spannungssensor Einheit kann in diesem Fall entfallen .
Vorgeschlagen wird ein Computerprogrammprodukt bzw . Algorithmus , der die elektronische Unterbrechungseinheit bzw . die halbleiterbasierten Schaltelemente zu geeigneten Zeitpunkten (Momentanwerten der Netzspannung) ein- und ausschaltet und gleichzeitig die gemessenen Strom- und Spannungswerte auswertet , um zu erkennen, dass die elektronische Unterbrechungseinheit funktions fähig bzw . nicht funktions fähig ist .
Die Steuerungseinheit SE kann ( dazu) einen Mikrocontroller aufweisen . Auf dem Mikrocontroller kann das Computerprogrammprodukt ausgeführt werden . Das Computerprogrammprodukt umfasst Befehle , die bei der Aus führung des Programms durch den Mikrocontroller diesen veranlassen das Schutzschaltgerät zu steuern, insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren zu unterstützen, insbesondere durchzuführen . Auf einem computerlesbaren Speichermedium, wie einer CD-ROM, einem USB-Stick oder ähnlichen, kann das Computerprogrammprodukt gespeichert sein .
Ferner kann ein Datenträgersignal , das das Computerprogrammprodukt überträgt , existieren .
Der Zeitpunkt für das Schalten der halbleiterbasierten Schaltelemente ( für die Überprüfung) richtet sich nach der Polarität der aktuell anliegenden Netzspannung, sodass gezielt einzelne Schaltelemente überprüft werden können . Des Weiteren kann der Momentanwert der Spannung bei der Auswahl des Zeitpunktes berücksichtigt werden .
Zusammengefasst :
-Spannungsmessung über der elektronischen Unterbrechungseinheit bzw . Ermittlung des Spannungsabfalls über der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ( z . B . über einen einfachen Spannungsteiler ) ,
- Spannungsermittlung über der elektronischen Unterbrechungseinheit wird verwendet werden, um : einen durchlegierten oder durchgebrannten Zustand eines Leistungshalbleiters zu erkennen
- Möglichkeit des Öf fnens der mechanischen Trennkontakteinheit nach Feststellung eines Fehlers der elektronischen Unterbrechungseinheit .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Aus führungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

27 Patentansprüche
1 . Schutzschaltgerät ( SG) zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis aufweisend :
- ein Gehäuse ( GEH) mit mindestens einem netzseitigen Anschluss und einem lastseitigen Anschluss ,
- eine mechanische Trennkontakteinheit (MK) , die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) geschaltet ist , wobei die mechanische Trennkontakteinheit (MK) dem lastseitigen Anschluss und die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) dem netzseitigen Anschluss zugeordnet ist ,
- dass die mechanische Trennkontakteinheit (MK) durch ein Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- einer Stromsensoreinheit ( S I ) , zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises ,
- einer Steuerungseinheit ( SE ) , die mit der Stromsensoreinheit ( S I ) , der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) verbunden ist , wobei bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenz- werten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird,
- dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist , dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird .
2 . Schutzschaltgerät ( SG) nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist , dass für einen Leiter die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelbar ist .
3 . Schutzschaltgerät ( SG) nach Patentanspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass bei der Schaltung der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) für die erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt wird, dass bei Überschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes eine erste Fehlerbedingung vorliegt , so dass ein weiteres niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden wird oder/und Öf fnen der Kontakte initiiert wird .
4 . Schutzschaltgerät ( SG) nach Patentanspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die elektronische Unterbrechungseinheit dann in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird, wenn der Momentanwert der Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss und netzseitigen Phasenleiteranschluss einen zweiten Spannungsschwellwert unterschreitet .
5 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass eine mit der Steuerungseinheit ( SE ) verbundene erste Spannungssensoreinheit ( SUI ) vorgesehen ist , die die Höhe einer ersten Spannung zwischen einem netzseitigen Verbindungspunkt (EUG) und einem lastseitigen Verbindungspunkt (EUL ) der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) ermittelt .
6 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , dass eine mit der Steuerungseinheit ( SE ) verbundene zweite Spannungssensoreinheit ( SU2 ) vorgesehen ist , die die Höhe einer zweiten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss (NG) und netzseitigen Phasenleiteranschluss ( LG) ermittelt , dass eine mit der Steuerungseinheit verbundene dritte Spannungssensoreinheit ( SU3 ) vorgesehen ist , die die Höhe einer dritten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss (NG) und lastseitigen Verbindungspunkt (EUL ) der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) ermittelt , dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist , dass aus der Di f ferenz zwischen zweiter und dritter Spannung die Höhe einer ersten Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt (EUG) und lastseitigen Verbindungspunkt (EUL ) der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) ermittelt wird .
7 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die Stromsensoreinheit ( S I ) stromkreisseitig zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und lastseitigen Phasenleiteranschluss vorgesehen ist .
8 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass der Niederspannungsstromkreis ein Dreiphasenwechselstromkreis ist und das Schutzschaltgerät mehrere netzseitige und lastseitige Phasenleiteranschlüsse aufweist , zwischen denen j eweils ein Kontakt der mechanischen Trennkontakteinheit und elektronische Unterbrechungseinheiten vorgesehen sind, sowie , insbesondere erste , Spannungssensoreinheiten vorgesehen sind, mit denen die Höhe der Spannung über der j eweiligen elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelbar ist .
9 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass das Schutzschaltgerät ( SG) derart ausgestaltet ist , dass die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) durch die Steuerungseinheit ( SE ) geöf fnet , aber nicht geschlossen werden können .
10 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die mechanische Trennkontakteinheit (MK) durch eine mechanische Handhabe bedienbar ist , um ein Öf fnen von Kontakten oder ein Schließen der Kontakte zu schalten .
11 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass eine Energieversorgung (NT ) , insbesondere für die Steuerungseinheit ( SE ) , vorgesehen ist , die mit dem netzseitigen Neutralleiteranschluss und dem netzseitigen Phasenleiteranschluss verbunden ist , insbesondere dass in der Verbindung zum netzseitigen Neutralleiteranschluss eine Sicherung, insbesondere Schmel zsicherung, vorgesehen ist .
12 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmiger Unterbrechungseinheit und
- bei einem ermittelten Strom, der einen ersten Stromwert überschreitet , insbesondere dass der erste Stromwert für eine erste Zeitgrenze überschritten wird, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit (MK) geschlossen bleibt ,
- bei einem ermittelten Strom, der einen zweiten Stromwert , insbesondere für eine zweite Zeitgrenze , überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit (MK) geöf fnet wird,
- bei einem ermittelten Strom, der einen dritten Stromwert überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit 31 hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit (MK) geöf fnet wird .
13 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerungseinheit ( SE ) einen Mikrocontroller aufweist .
14 . Verfahren für ein Schutzschaltgerät ( SG) zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis mit :
- einem Gehäuse ( GEH) mit mindestens einem netzseitigen Anschluss und einem lastseitigen Anschluss ,
- einer mechanische Trennkontakteinheit (MK) , die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) geschaltet ist , wobei die mechanische Trennkontakteinheit (MK) dem lastseitigen Anschluss und die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) dem netzseitigen Anschluss zugeordnet ist ,
- dass die mechanische Trennkontakteinheit (MK) durch ein Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis , insbesondere zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und lastseitigen Phasenleiteranschluss , ermittelt wird,
- dass bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird,
- dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) die elektronische Unterbrechungseinheit 32
(EU) für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird .
15 . Verfahren nach Patentanspruch 14 , dadurch gekennzeichnet , dass bei der Schaltung der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) für die erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt wird, dass bei Überschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes eine erste Fehlerbedingung vorliegt , so dass ein weiteres niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden wird oder/und Öf fnen der Kontakte initiiert wird .
16 . Verfahren nach Patentanspruch 15 , dadurch gekennzeichnet , dass die elektronische Unterbrechungseinheit dann in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird, wenn der Momentanwert der Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss und netzseitigen Phasenleiteranschluss einen zweiten Spannungsschwellwert unterschreitet .
17 . Computerprogrammprodukt umfassend Befehle , die bei der Aus führung des Programms durch einen Mikrocontroller diesen veranlassen das Verfahren nach einem der Patentansprüche 14 bis 16 mit einem Schutzschaltgerät gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 13 zu unterstützen, insbesondere durchzuführen .
18 . Computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Patentanspruch 17 gespeichert ist .
19 . Datenträgersignal , das das Computerprogrammprodukt nach Patentanspruch 17 überträgt .
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