EP4367704B1 - Schutzschaltgerät - Google Patents

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EP4367704B1
EP4367704B1 EP22790302.8A EP22790302A EP4367704B1 EP 4367704 B1 EP4367704 B1 EP 4367704B1 EP 22790302 A EP22790302 A EP 22790302A EP 4367704 B1 EP4367704 B1 EP 4367704B1
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EP
European Patent Office
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unit
voltage
current
electronic interruption
circuit breaker
Prior art date
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EP22790302.8A
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English (en)
French (fr)
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EP4367704A1 (de
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Marvin TANNHÄUSER
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4367704A1 publication Critical patent/EP4367704A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4367704B1 publication Critical patent/EP4367704B1/de
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    • 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
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/123—Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit
    • H01H71/125—Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit characterised by sensing elements, e.g. current transformers
    • H—ELECTRICITY
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    • 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 interruption unit and a method for a protective switching device for a low-voltage circuit with an electronic interruption unit.
  • Low voltage refers to voltages of up to 1000 volts AC or up to 1500 volts DC. Low voltage refers in particular to voltages greater than extra-low voltage, with values of 50 volts AC or 120 volts DC.
  • Low-voltage circuits, networks, or systems refer to circuits with nominal or rated currents of up to 125 amps, more specifically up to 63 amps.
  • Low-voltage circuits specifically refer to circuits with nominal or rated currents of up to 50 amps, 40 amps, 32 amps, 25 amps, 16 amps, or 10 amps.
  • the current values mentioned refer specifically to nominal, rated, and/or breaking currents, i.e., the maximum current that is normally conducted through the circuit or at which 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 further staggered, 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 are long-established overcurrent protection devices used in low-voltage electrical circuits. They protect cables from damage caused by overheating due to excessive current and/or short circuits.
  • a miniature circuit breaker can automatically switch off the circuit in the event of an overload and/or short circuit.
  • a circuit breaker is a non-self-resetting safety device.
  • circuit breakers are designed for currents greater than 125 A, and in some cases even as low as 63 A. Miniature circuit breakers are therefore simpler and more delicate in design. Miniature circuit breakers typically have a mounting option for mounting on a so-called top-hat rail (DIN rail, TH35).
  • Miniature circuit breakers are electromechanically constructed. They contain a mechanical switching contact or shunt release within a housing to interrupt (trip) the electrical current.
  • a bimetallic protective element or bimetallic element is used to trip (interrupt) the circuit in the event of a prolonged overcurrent (overcurrent protection) or thermal overload (overload protection).
  • An electromagnetic release with a coil is used for brief tripping when an overcurrent limit is exceeded or in the event of a short circuit (short-circuit protection).
  • One or more arc-quenching chambers or arc-quenching devices are provided.
  • connection elements for conductors of the electrical circuit to be protected are used.
  • Circuit breakers with an electronic interruption unit are relatively new developments. They feature a semiconductor-based electronic interruption unit. This means that the electrical current flow of the low-voltage circuit is guided via semiconductor components or semiconductor switches, which interrupt the electrical current flow or can be switched to conduction. Circuit breakers with an electronic interruption unit also often feature a mechanical isolating contact system, in particular with isolating properties in accordance with the relevant standards for low-voltage circuits, whereby the contacts of the mechanical isolating contact system are connected in series to the electronic interruption unit, i.e. the current of the low-voltage circuit to be protected is conducted via both the mechanical isolating contact system and the electronic interruption unit.
  • a harmonic alternating voltage can be represented by the rotation of 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.
  • One oscillation period corresponds to one full revolution of the pointer, and its full angle is 2 ⁇ (2Pi) or 360°.
  • the angular frequency is the rate of change of the phase angle of this rotating pointer.
  • the time-dependent value of the angular velocity ⁇ and the time t corresponds to the time-dependent angle ⁇ (t), which is also referred to as the phase angle ⁇ (t).
  • ⁇ (t) periodically passes through the range 0...2 ⁇ or 0°...360°.
  • the German utility model specification DE 20 2009 014 759 U1 discloses a semiconductor relay with an integrated mechanical switching element for load circuit interruption (hybrid relay).
  • a smart circuit breaker includes an electromechanical switch, a current sensor, a voltage sensor, and a processor.
  • the electromechanical switch is connected in series between a line input terminal and a load output terminal of the circuit breaker and is configured to be placed in a switched closed state or a switched open state.
  • the current sensor is configured to detect a current flowing in a path between the line input terminal and the load output terminal and generate a current sense signal.
  • the voltage sensor is configured to detect a voltage at a point on the path between the line input terminal and the load output terminal and generate a voltage sense signal.
  • the processor is configured to receive and process the current sense signal and the voltage sense signal to determine operating status information of the circuit breaker. and to determine power consumption information of a load connected to the load output terminal.
  • 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 measuring impedance is provided between conductors of the low-voltage circuit such that when the contacts of the mechanical isolating contact unit are open and the electronic interruption unit is switched to low resistance, a measuring current flows through the electronic interruption unit via the mains-side connections.
  • the measuring impedance can, for example, be connected to the connection between the mechanical isolating contact unit and the electronic interruption unit.
  • the measuring impedance can be connected to the other conductor, in particular to the other conductor at the mains-side connection.
  • a measuring current can flow between two conductors upstream of the load-side connection, particularly upstream of the mechanical isolating contact unit assigned to the load-side connection, when the contacts of the mechanical isolating contact unit are open, i.e., when the load/consumer is disconnected from the mains side (power source).
  • the measuring current can advantageously be used to test the function of the protective switching device. This design thus enables a safe protective switching device, thereby increasing safety in the low-voltage circuit.
  • a measuring impedance is connected, in particular, between the mains-side connection points of the mechanical isolating contact unit.
  • the measuring impedance is an electrical resistor and/or capacitor, i.e., a single element or a series or parallel circuit or a series and parallel circuit of two, three, four, five, ... elements.
  • the measuring impedance should have a high resistance or impedance value in order to advantageously minimize losses.
  • resistance values greater than 100 kOhm, 500 kOhm, or even better, 1 MOhm, 2 MOhm, 3 MOhm, 4 MOhm, or 5 MOhm should be used, and more specifically, resistance values greater than 5 MOhm.
  • the use of a measuring resistor of, for example, 1 MOhm results in approximately 50 mW of loss.
  • the value of the measuring impedance should be such that the current through the measuring impedance is less than 1 mA when the mains voltage is applied (in the nominal range), so that the losses in the measuring impedance ZM are (negligibly) small.
  • the (measurement) current is less than 0.1 mA.
  • the protective switching device is designed such that, in order to test the function of the protective switching device, the electronic interruption unit (EU) is switched to a low-impedance state for a first period of time when the contacts of the mechanical isolating contact unit are open and the electronic interruption unit is switched to a high-impedance state.
  • EU electronic interruption unit
  • the first time period can be in the range 100 ⁇ s to 1 s. For example, 100 ⁇ s, 200 ⁇ s, ..., 1 ms, 2 ms, ..., 10 ms, 11 ms, ..., 20 ms, 21 ms, ..., 100 ms, ..., 200 ms, ... 1 s.
  • a voltage change can be detected for functional testing. For time periods of 20 ms to 100 ms or 1 second, it can be checked (multiple times) whether approximately 0 V voltage (instantaneous or effective voltage value) is present across the electronic interruption unit.
  • the protective switching device is designed such that (for a conductor) the level of the voltage across the electronic interruption unit can be determined.
  • the voltage across the electronic interrupt unit is determined. If a second voltage threshold is exceeded, a second fault condition exists, preventing a further or subsequent low-resistance state of the electronic interrupt unit and/or the closure of the contacts. (I.e., if the voltage falls below the second threshold, no fault condition exists.)
  • the second voltage threshold should be 1 volt or, better still, less than 1 V.
  • the protective switching device is designed such that, when the contacts of the mechanical isolating contact unit are open, the voltage level across the electronic interruption unit is determined when the electronic interruption unit is switched to high impedance. If the voltage falls below a first voltage threshold, a first fault condition exists, so that A (possibly repeated or initial) low-resistance condition of the electronic interruption unit is prevented and/or the contacts are prevented from closing. (I.e., if the first voltage threshold is exceeded, no fault condition exists.)
  • the first voltage threshold is, for example, advantageously 5-15% of the nominal voltage of the low-voltage circuit, for example 10%.
  • closing of the contacts of the mechanical isolating contact unit is prevented if one (or both) fault conditions are present. In particular, no enable signal is sent to the mechanical isolating contact unit. This means that closing of the contacts of the mechanical isolating contact unit by a handle is not possible.
  • the electronic interruption unit can be prevented from becoming low-resistance.
  • the voltage level between the mains-side connection point and the load-side connection point of the electronic interruption unit can be determined or is determined.
  • At least one voltage sensor unit connected to the control unit can be provided. If there are multiple voltage sensor units, these are connected to the control unit.
  • the functionality of the electronic interruption unit can be determined according to the invention. 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.
  • a first voltage sensor unit connected to the control unit which determines the level of a/the first voltage across the electronic interruption unit, in particular between the network-side connection point and the load-side connection point of the electronic interruption unit.
  • a second voltage sensor unit is alternatively provided, which is connected to the control unit and determines the level of a second voltage between the mains-side neutral conductor connection and the mains-side phase conductor connection. Furthermore, a third voltage sensor unit is provided, which is connected to the control unit and determines the level of a third voltage between the mains-side neutral conductor connection and the load-side connection point of the electronic interruption unit.
  • the protective switching device is designed in such a way that the The level of a/the first voltage between the mains-side connection point and the load-side connection point of the electronic interruption unit is determined.
  • the current sensor unit is provided on the circuit side between the mains-side phase conductor connection and the load-side phase conductor connection.
  • the low-voltage circuit is a three-phase alternating current circuit.
  • the protective switching device has several or additional line-side and load-side phase conductor connections to protect the phases of the electrical circuit. Between each of the line-side and load-side phase conductor connections, a series connection of an electronic interruption unit or its semiconductor-based switching elements and a contact of the mechanical isolating contact unit is provided.
  • a measuring impedance can be provided between the respective phase conductor and neutral conductor.
  • a measuring impedance can also be provided between two different phase conductors.
  • the protective switching device is designed such that the contacts of the mechanical isolating contact unit can be opened but not closed by the control unit.
  • the mechanical isolating contact unit can be operated by a mechanical handle in order to switch the opening or closing of contacts.
  • the mechanical isolating contact unit is designed such that closing of the contacts by the mechanical handle is only possible after an enable, in particular an enable signal.
  • a power supply particularly for the control unit, is provided, which is connected to the mains-side neutral conductor connection and the mains-side phase conductor connection.
  • a fuse particularly a safety fuse, and/or a switch is provided in the connection to the mains-side neutral conductor connection.
  • the measuring impedance can be connected to the mains-side neutral conductor connection via this connection (fuse and/or switch).
  • the switch can be used to conveniently disconnect the power supply from the mains, for example, to enable insulation measurements.
  • control unit comprises 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 other advantages.
  • the electronic interruption unit is switched to a low-resistance state for an initial period of time when the contacts of the mechanical isolating contact unit are open and the electronic interruption unit is switched to a high-resistance state.
  • the voltage across the electronic interrupt unit is determined. If a second voltage threshold is exceeded, a second fault condition is present, preventing the electronic interrupt unit from becoming low-resistance again and/or closing the contacts.
  • the voltage level across the electronic interruption unit can also be determined. If the voltage falls below a first voltage threshold, a first fault condition is present, preventing the electronic interruption unit from becoming low-resistance and/or closing the contacts.
  • the computer program product comprises instructions that, when executed by a microcontroller, cause the microcontroller to improve the safety of such a protective switching device or to achieve greater safety in the low-voltage electrical 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 can be claimed.
  • a corresponding data carrier signal which transmits the computer program product can be claimed.
  • a measuring impedance is provided between conductors of the low-voltage circuit such that when the contacts of the mechanical isolating contact unit are open and the electronic interruption unit is switched to low resistance, a measuring current flows through the electronic interruption unit via the mains-side connections.
  • the measuring impedance ZM can, for example, be an electrical resistor and/or capacitor.
  • the measuring impedance can be a series connection or/and parallel connection of a resistor and/or capacitor.
  • the measuring impedance generates a defined potential in the protective switching device, specifically a defined voltage potential across the electronic interruption unit (EU). Furthermore, a defined measuring current in the protective switching device is generated without affecting any connected consumer/load.
  • EU electronic interruption unit
  • both the measuring current and (or/and) the voltage across certain units, such as the electronic interruption unit EU, can be evaluated.
  • the evaluation allows the correct behavior of the units, in particular the electronic interruption unit EU, to be recorded.
  • the measuring impedance ZM should have a very high value (resistance or impedance value) to keep losses low. For example, a resistance value of 1 MOhm would be appropriate. A value of 1 MOhm results in losses of approximately 50 mW in a 230 V low-voltage circuit.
  • the measuring impedance should be greater than 100 kOhm, 500 kOhm, 1 MOhm, 2 MOhm, 3 MOhm, 4 MOhm or better 5 MOhm.
  • the protective switching device can be designed such that the voltage level across the electronic interruption unit can be determined. This means that the level of a first voltage between the mains-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 SU1 connected to the control unit SE is provided, which determines the level of the voltage between the grid-side connection point EUG and the load-side connection point EUL of the electronic interruption unit EU.
  • the voltage across the series circuit of the electronic interruption unit EU and the current sensor SI can alternatively be determined, as shown in Figure 1
  • the current sensor unit SI has a very low internal resistance, so that the determination of the voltage level is not affected or only negligibly affected.
  • a second voltage sensor unit SU2 can be provided, which determines the level of the voltage between the mains-side neutral conductor connection NG and the mains-side phase conductor connection LG.
  • the first voltage sensor unit can also be replaced by using two voltage measurements (before the electronic interruption unit and after the electronic interruption unit).
  • the voltage across the electronic interruption unit is determined by calculating the difference.
  • a second voltage sensor unit SU2 connected to the control unit SE can be provided, which determines the level of a second voltage between the mains-side neutral conductor connection (NG) and the mains-side phase conductor connection (LG).
  • a third voltage sensor unit SU3 (not shown) connected to the control unit can be provided, which determines the level of a third voltage between The voltage level of the first voltage between the mains-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 voltages.
  • the electronic interruption unit EU is designed as a single-pole unit, in the example in the phase conductor.
  • the mains-side connection point APNG for the neutral conductor of the mechanical isolating contact unit MK is connected to the mains-side neutral conductor connection NG of the housing GEH.
  • the protective switching device SG is advantageously designed such that the contacts of the mechanical isolating contact unit MK can be opened but not closed by the control unit SE, 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 using a mechanical handle HH on the protective switching device SG to manually open or close the KKL and KKN contacts.
  • the mechanical handle HH indicates the switching state (open or closed) of the contacts of the mechanical isolating contact unit MK.
  • 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 be determined, for example, using 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 an enable, in particular an enable signal.
  • the protective switching device SG has a power supply NT, for example a power supply unit.
  • the power supply NT is provided for the control unit SE, which is achieved by a connection between the power supply NT and the control unit SE in Figure 1 is indicated.
  • the power supply NT is (on the other hand) connected to the mains-side neutral conductor terminal NG and the mains-side phase conductor terminal LG.
  • a fuse SS in particular a fuse, can advantageously be provided in the connection to the mains-side neutral conductor terminal NG (and/or phase conductor terminal LG).
  • the measuring impedance ZM can be connected to the mains-side neutral conductor connection NG via the fuse SS.
  • the electronics unit EE includes, for example, the electronic interruption unit EU, the control unit SE, the power supply NT (including the fuse SS), the current sensor unit SI, the first voltage sensor unit SU1, and optionally the second voltage sensor unit SU2.
  • the low-voltage circuit can be a three-phase alternating current circuit with a neutral conductor and three phase conductors.
  • the protective switching device can be designed as a three-phase variant and, for example, can incorporate additional mains-side and load-side phase conductor connections.
  • a series connection of an electronic interruption unit or its semiconductor-based switching elements and a contact of the mechanical isolating contact unit are provided in a similar manner between the other mains-side and load-side phase conductor connections.
  • the measuring impedances can be provided between the phase conductor and neutral conductor and/or between the phase conductors.
  • High-impedance refers to a state in which only a negligible current flows.
  • high-impedance refers to resistance values greater than 1 kiloohm, preferably greater than 10 kiloohms, 100 kiloohms, 1 megaohm, 10 megaohms, 100 megaohms, 1 gigaohm, or greater.
  • Figure 2 shows an illustration according to Figure 1 , with the difference that an energy source EQ with a nominal voltage U N of the low-voltage circuit is connected to the grid side GRID. Furthermore, a consumer or energy sink ES is connected to the load side LOAD.
  • the mechanical isolating contact unit MK is shown in an open OFF state, i.e. with open contacts KKN, KKL to prevent current flow.
  • the first voltage U1 (or U SW ) is measured directly across the electronic interruption unit (i.e., without the current sensor unit SI).
  • the second voltage U2 (or U N,GND ) corresponds to the mains voltage U LN minus the (minimal) voltage drop across the current sensor unit SI and the ohmic losses.
  • the (single-pole) electronic interruption unit EU has semiconductor-based switching elements T1, T2.
  • the semiconductor-based switching elements T1, T2 are provided.
  • an overvoltage protection device (TVS) is provided across the series connection of the two semiconductor-based switching elements T1, T2.
  • Two unidirectional electronic switching elements are connected in series (anti-serial).
  • the first unidirectional switching element is arranged to be switchable in a first current direction
  • the second unidirectional switching element is arranged to be switchable in the opposite current direction, with the unidirectional switching elements being conductive opposite to their current switching direction (directly or indirectly, e.g., through internally or externally connected diodes in parallel).
  • the protective switching device is designed such that the first and second switching elements can be switched independently of one another.
  • the first step is to consider the test in the OFF state of the electronic protective device.
  • the electrical potential between the electronic interruption unit and the mechanical isolating contact unit is defined by the measuring impedance ZM and the impedance of the electronic interruption unit in the switched-off state (voltage divider).
  • the control unit can now switch on the semiconductor-based switching elements (which of the two semiconductors is active?) at any time (and thus at a specific voltage distribution (depending on the instantaneous value of the voltage, half-wave of the voltage). Taking into account the polarity of the alternating voltage or AC voltage, the switching elements of the electronic interruption unit EU can be tested.
  • the electronic interruption unit EU (or the electronic switch) is thus switched on for a very short time (in the millisecond range). If the electronic interruption unit is functional, this can be determined by (simultaneous) voltage measurement (e.g., first voltage sensor unit, second voltage sensor unit) and (subsequent) evaluation. For example, in the case of a defective semiconductor-based switching element, it can be determined whether it always remains switched on (fault pattern: "alloyed”) or always remains switched off (fault pattern: "burned").
  • a (first) enable condition for switching on the protective switching device specifically the electronic interruption unit or the mechanical isolating contact unit, may be present.
  • the protective switching device will not be enabled to switch on; an error condition exists, meaning that the outgoing device or consumer/load cannot be switched on, thus preventing a dangerous condition.
  • the first upper graphic NORM shows the voltage curves for a fault-free state of the electronic interruption unit EU.
  • the difference in amplitude between the first voltage U1 and the second voltage U2 is in this case due to the voltage drop across the measuring impedance ZM.
  • the first voltage threshold should be based on the magnitude of the measuring impedance. For example, the first voltage threshold should be slightly smaller than the nominal voltage less the voltage drop across the measuring impedance. If the first voltage U1 is greater than the first voltage threshold, the electronic interruption unit EU is fault-free.
  • the evaluation can be based on the instantaneous voltage values as well as the effective voltage values.
  • a first enable condition is present, as a result of which the electronic interruption unit may become low-resistance and/or the contacts of the mechanical isolating contact unit are enabled to close.
  • This is shown in Figure 3 represented by an arrow, labelled enable, from the control unit SE to the mechanical isolating contact unit MK, for enabling the closing of the contacts of the mechanical isolating contact unit MK by the handle HH.
  • connection or arrow from the control unit SE to the electronic interruption unit EU has a representation of a course
  • the switching state of the electronic interruption unit is plotted over time, with a switched-off/high-resistance state being marked off and a switched-on/low-resistance state of the electronic interruption unit EU being marked on.
  • the electronic interruption unit EU is in the switched-off state, which is represented by a straight line next to 'off'.
  • the second middle graphic, "T1 is "shortened,” shows the voltage curve for a defective electronic interruption unit EU, in which a semiconductor-based switching element, in this example the switching element T1, is constantly conductive (short-circuited).
  • a current flows through the electronic interruption unit in one half-wave of the electrical voltage, although it is (should be) highly resistive.
  • the conductivity in the current direction affected by the affected semiconductor-based switching element prevents the build-up of a voltage across the affected semiconductor-based switching element. This means that the level of the first voltage U1 cannot exceed the first voltage threshold, which can be determined by means of the first voltage sensor unit SU1 in conjunction with the control unit SE.
  • the third lower graph, "T2 is "shortened,” shows the voltage curve for a defective electronic interruption unit EU, in which the other semiconductor-based switching element, in this example, switching element T2, is constantly conductive (short-circuited). The same applies to the middle graph.
  • the second and third diagrams show a fault condition of the electronic interruption unit EU, which, according to the invention, occurs when the contacts of the mechanical isolating contact unit and the low-resistance interruption unit are closed. the closing of the contacts of the mechanical isolating contact unit and prevents manual closing of the contacts of the mechanical isolating contact unit.
  • FIG. 3 shows an overview of the circuit diagram and voltage curves for the case where a switching element in the electronic interruption unit is defective, in this case short-circuited/short-circuited. Since unidirectional blocking power semiconductors are typically used, the semiconductor-based switching element T1 or T2 can be tested for functionality depending on the applied voltage polarity. If an alternating voltage is present at the terminals of a functioning protective switching device, a voltage U1 or U2 is generated across the electronic interruption unit, which can be detected via a corresponding first voltage sensor unit SU1. This is shown in the upper graphic NORM. If one of the two switching elements is short-circuited, the voltage can no longer be absorbed by the electronic interruption unit.
  • the measured voltage is zero for a certain period of time (approx. 5 ms). This is shown in the two curves 'T1 is “shorten”' and 'T2 is “shorten”'. This enables the measurement or detection of a defective switching element. If both switching elements are alloyed, the first voltage U1 or Uw is always zero (not shown).
  • Figure 4 shows a representation according to Figure 3 with the difference that the electronic interrupt unit EU is briefly switched on and off. This is indicated by a square wave signal relating to the off and on states at the connection between the control unit SE and the electronic interrupt unit EU.
  • a short switch-on pulse is applied (first time period). If one of the two switching elements is burned out, the switching element can no longer be switched on by the electronic interruption unit. Even when switched on, the measured voltage always remains the same as in the off state. This is shown in the middle graphic, "T1 is "open”,” and the lower graphic, “T2 is “open.” This allows the measurement or detection of a defective switching element.
  • the protective switching device is designed in such a way that when the contacts of the mechanical isolating contact unit MK are open and the electronic interruption unit EU is switched to a high-resistance state, the electronic interruption unit EU is switched to a low-resistance state for a first period of time and the level of the voltage across the electronic interruption unit is determined.
  • the protective switching device is advantageously designed such that, in the event of a fault condition, the contacts of the mechanical isolating contact unit MK are prevented from closing. In particular, no enable signal is sent to the mechanical isolating contact unit MK.
  • Figure 5 shows a representation according to Figures 1 to 4 , 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 measuring impedance ZM, the current sensor unit SI, the electronic interruption unit EU, and the power supply NT.
  • the first part can have the first voltage sensor unit SU1, the second voltage sensor unit SU2, the fuse SS, a switch SCH, a temperature sensor TEM (in particular for the electronic interruption unit EU), a communication unit COM, and a display unit DISP.
  • the protective switching device contains a second part, MPART, which is particularly mechanical.
  • the second part, MPART can include the mechanical isolating contact unit MK, the handle HH, and a release unit FG.
  • the second part can include a positioning unit POS for reporting the position of the contacts of the mechanical isolating contact unit MK to the control unit, as well as the (neutral conductor) connection(s). Additional, unspecified units can be provided.
  • the release unit FG enables the actuation of the contacts of the mechanical isolating contact unit by the handle HH when an enable signal is present.
  • the measuring impedance ensures a defined/determinable measuring current or a defined potential/defined/determinable voltage drops.
  • the measuring impedance is installed between the two conductors/current paths (phase conductor L and neutral conductor N) to measure the electrical potential between the electronic interruption unit EU and the mechanical Isolating contacts unit to be defined for measurement purposes (no "floating" potential.)
  • a computer program product or algorithm which switches the electronic interruption unit or the semiconductor-based switching elements on and off at suitable times (instantaneous values of the mains voltage) and simultaneously evaluates the measured current and voltage values in order to detect whether the electronic interruption unit is functional or 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 comprises commands that, when the program is executed by the microcontroller, cause the microcontroller to control the protective switching device, in particular to support, in particular to carry out, the method according to the invention.
  • the computer program product may be stored on a computer-readable storage medium, such as a CD-ROM, a USB stick or similar.
  • a data carrier signal that transmits the computer program product may exist.
  • the timing for switching the semiconductor-based switching elements depends on the polarity of the currently applied mains voltage, allowing for targeted testing of individual switching elements. Furthermore, the instantaneous voltage value can be taken into account when selecting the timing.

Landscapes

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  • Breakers (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft das technische Gebiet eines Schutzschaltgerätes 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, spezifischer bis zu 63 Ampere gemeint. Mit Niederspannungsstromkreis sind insbesondere Stromkreise mit Nennströmen bzw. Bemessungsströmen von bis zu 50 Ampere, 40 Ampere, 32 Ampere, 25 Ampere, 16 Ampere oder 10 Ampere gemeint. Mit den genannten Stromwerten sind insbesondere Nenn-, Bemessungs- oder/und Abschalt-Ströme gemeint, d.h. der Strom der im Normalfall maximal über den Stromkreis geführt wird bzw. bei denen der elektrische Stromkreis üblicherweise unterbrochen wird, beispielsweise durch eine Schutzeinrichtung, wie ein Schutzschaltgerät, Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter. Die Nennströme können sich weiter staffeln, 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 aufgebaut. Leitungsschutzschalter weisen üblicherweise eine Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung auf einer so genannten Hutschiene (Tragschiene, DIN-Schiene, TH35) auf.
  • Leitungsschutzschalter sind elektromechanisch aufgebaut. In einem Gehäuse weisen sie einen mechanischen Schaltkontakt bzw. Arbeitsstromauslöser zur Unterbrechung (Auslösung) des elektrischen Stromes auf. Üblicherweise wird ein Bimetall-Schutzelement bzw. Bimetall-Element zur Auslösung (Unterbrechung) bei länger anhaltenden Überstrom (Überstromschutz) respektive bei thermischer Überlast (Überlastschutz) eingesetzt. Ein elektromagnetischer Auslöser mit einer Spule wird zur kurzzeitigen Auslösung bei Überschreiten eines Überstromgrenzwerts bzw. im Falle eines Kurzschlusses (Kurzschlussschutz) eingesetzt. Eine oder mehrere Lichtbogenlöschkam-mer(n) bzw. Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung sind vorgesehen. Ferner Anschlusselemente für Leiter des zu schützenden elektrischen Stromkreises.
  • Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit sind relativ neuartige Entwicklungen. Diese weisen eine halbleiterbasierte elektronische Unterbrechungseinheit auf. D.h. der elektrische Stromfluss des Niederspannungsstromkreises wird über Halbleiterbauelemente respektive Halbleiterschalter geführt, die den elektrischen Stromfluss unterbrechen bzw. leitfähig geschaltet werden können. Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit weisen ferner häufig ein mechanisches Trennkontaktsystem auf, insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß einschlägigem Normen für Niederspannungsstromkreise, wobei die Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet sind, d.h. der Strom des zu schützenden Niederspannungsstromkreises wird sowohl über das mechanische Trennkontaktsystem als auch über die elektronische Unterbrechungseinheit geführt.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Niederspannungswechselstromkreise, mit einer Wechselspannung, üblicherweise mit einer zeitabhängigen sinusförmigen Wechselspannung mit der Frequenz f. Die zeitliche Abhängigkeit des momentanen Spannungswertes u(t) der Wechselspannung ist durch die Gleichung: u t = U * sin 2 π * f * t
    Figure imgb0001
     beschrieben. Wobei:
    • u(t)
    = momentaner Spannungswert zu der Zeit t
    U
    = Amplitude der Spannung
  • Eine harmonische Wechselspannung lässt sich durch die Rotation eines Zeigers darstellen, dessen Länge der Amplitude (U) der Spannung entspricht. Die Momentanauslenkung ist dabei die Projektion des Zeigers auf ein Koordinatensystem. Eine Schwingungsperiode entspricht einer vollen Umdrehung des Zeigers und dessen Vollwinkel beträgt 2π (2Pi) bzw. 360°. Die Kreisfrequenz ist die Änderungsrate des Phasenwinkels dieses rotierenden Zeigers. Die Kreisfrequenz einer harmonischen Schwingung beträgt immer das 2π-fache ihrer Frequenz, d.h.: ω = 2 π * f = 2 π / T = Kreisfrequenz der Wechselspannung
    Figure imgb0002
     (T = Periodendauer der Schwingung)
  • Häufig wird die Angabe der Kreisfrequenz (ω) gegenüber der Frequenz (f) bevorzugt, da sich viele Formeln der Schwingungslehre aufgrund des Auftretens trigonometrischer Funktionen, deren Periode per Definition 2π ist, mit Hilfe der Kreisfrequenz kompakter darstellen lassen: u t = U * sin ωt
    Figure imgb0003
  • Im Falle zeitlich nicht konstanter Kreisfrequenzen wird auch der Begriff momentane Kreisfrequenz verwendet.
  • Bei einer sinusförmigen, insbesondere zeitlich konstanten, Wechselspannung entspricht der zeitabhängige Wert aus der Winkelgeschwindigkeit ω und der Zeit t dem zeitabhängigen Winkel φ(t), der auch als Phasenwinkel φ(t) bezeichnet wird. D.h. der Phasenwinkel φ(t) durchläuft periodisch den Bereich 0...2π bzw. 0°...360°. D.h. der Phasenwinkel nimmt periodisch einen Wert zwischen 0 und 2π bzw. 0° und 360° an (φ = n* (0...2π) bzw. φ = n*(0°...360°), wegen Periodizität; verkürzt: φ = 0...2π bzw. φ = 0°...360°).
  • Mit momentanem Spannungswert u(t) ist folglich der momentane Wert der Spannung zum Zeitpunkt t, d.h. bei einer sinusförmigen (periodischen) Wechselspannung der Wert der Spannung zum Phasenwinkel φ gemeint (φ = 0...2π bzw. φ = 0°...360°, der jeweiligen Periode).
  • Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 20 2009 014 759 U1 offenbart ein Halbleiterrelais mit integriertem mechanischem Schaltelement zur Lastkreisunterbrechung (Hybridrelais). Halbleiterrelais (1) mit einem durch einen Steuerstrom oder eine Steuerspannung über die Steuereingänge (11, 12) betätigbaren und kontaktlos schaltenden Ausgangsleistungsschalter (4) und mit einem in Reihe zum Ausgangsleistungsschalter (4) geschalteten mechanischem Schaltelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass in das aus einem Gehäuseoberteil (16) und einem Gehäuseunterteil (17) bestehende und über die Schnappverbindungen (20) formschlüssig und lösbar verbundene, kompakte Gehäuse das Schaltelement (2) integriert und dessen Handbetätigungshebel bzw. Schaltstellungsanzeige (3) auf der Oberseite (16a) herausgeführt ist.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2018 213 354 A1 beschreibt ein Schaltgerät und Verfahren. Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät für einen mehrere Leiter aufweisenden Nieder-spannungsstromkreis,
    • mit einem Gehäuse, mit am Gehäuse angeordneten Anschlusskontakten zum Anschluss von Leitern des Niederspannungsstromkreises,
    • mit einer im Gehäuse befindlichen mechanischen Einheit mit einer Trennfunktion und einer AUS- oder EIN-Stellung, die Trennkontakte zur galvanischen Unterbrechung der Leiter des Niederspannungsstromkreises aufweist. Eine elektronische Einheit ist vorgesehen, die stromflussseitig in Serie zur mechanischen Einheit geschaltet ist, ein mit der mechanischen Einheit verbundener Hilfsschalter ist vorgesehen, der wiederum mit der elektronischen Einheit verbunden ist, der Hilfsschalter und die elektronische Einheit sind derart ausgestaltet, dass bei einem Öffnungsvorgang der mechanischen Einheit die elektronische Einheit hochohmig wird.
  • In der US-amerikanischen Patentanmeldung US 2020/0366078 A1 wird ein intelligenter Leistungsschalter beschrieben. Ein Leistungsschalter umfasst einen elektromechanischen Schalter, einen Stromsensor, einen Spannungssensor und einen Prozessor. Der elektromechanische Schalter ist in Reihe zwischen einem Leitungseingangsanschluss und einem Lastausgangsanschluss des Leistungsschalters angeschlossen und so konfiguriert, dass er in einen geschalteten geschlossenen Zustand oder einen geschalteten offenen Zustand versetzt werden kann. Der Stromsensor ist so konfiguriert, dass er eine Stromstärke erfasst, die in einem Pfad zwischen dem Leitungseingangsanschluss und dem Lastausgangsanschluss fließt, und ein Strommesssignal erzeugt. Der Spannungssensor ist so konfiguriert, dass er eine Spannungsstärke an einem Punkt auf dem Pfad zwischen dem Leitungseingangsanschluss und dem Lastausgangsanschluss erfasst, und ein Spannungsmesssignal erzeugt. Der Prozessor ist so konfiguriert, dass er das Strommesssignal und das Spannungsmesssignal empfängt und verarbeitet, um Betriebsstatusinformationen des Leistungsschalters zu ermitteln und Stromverbrauchsinformationen einer an den Lastausgangsanschluss angeschlossenen Last zu ermitteln.
  • 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 Schutzschaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreiseses, 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 Öffnen von mindestens einem Kontakt zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen des mindestens einem Kontaktes 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.
  • Erfindungsgemäß ist zwischen Leitern des Niederspannungsstromkreises eine Messimpedanz derart vorgesehen ist, dass bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit ein Messstrom über die netzseitigen Anschlüsse durch die elektronische Unterbrechungseinheit fließt.
  • Die Messimpedanz kann beispielsweise einerseits mit der Verbindung zwischen mechanischer Trennkontakteinheit und elektronischer Unterbrechungseinheit verbunden sein. Andererseits kann die Messimpedanz beispielsweise mit dem anderen Leiter verbunden sein, insbesondere mit dem anderen Leiter am netzseitigen Anschluss.
  • Durch die zwischen zwei Leitern vor dem lastseitigen Anschluss, insbesondere vor der dem lastseitigen Anschluss zugeordneten mechanischen Trennkontakteinheit, kann bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit, d.h. bei von der Netzseite (Energiequelle) getrennter Last/Verbraucher, kann ein Messstrom fließen. Der Messstrom kann vorteilhaft zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes verwendet werden. So kann mit dieser Ausgestaltung ein sicheres Schutzschaltgerät ermöglich werden, wodurch die Sicherheit im Niederspannungsstromkreis erhöht wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und im Ausführungsbeispiel angegeben.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere zwischen den netzseitigen Anschlusspunkten der mechanischen Trennkontakteinheit eine Messimpedanz geschaltet. Insbesondere ist die Messimpedanz ein elektrischer Widerstand oder/und Kondensator, d.h. ein einzelnes Element oder eine Serien- bzw. Parallelschaltung oder eine Serien- und Parallelschaltung zweier, dreier, vierer, fünfer, ... Elemente. Speziell sollte die Messimpedanz einen hohen Widerstandswert bzw. Impedanzwert haben, um vorteilhaft die Verluste gering zu halten. Insbesondere sollten Widerstandswerte von größer 100 kOhm, 500 kOhm, besser 1 MOhm, 2 MOhm, 3 MOhm, 4 MOhm oder 5 MOhm vorgesehen sein, spezieller von größer 5 MOhm. In einem 230 Volt Niederspannungsstromkreis führt der Einsatz eines Messwiderstandes von z.B. 1 MOhm zu etwa 50 mW Verlusten.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung sollte die Höhe des Wertes der Meßimpedanz sollte so bemessen sein, dass der Strom durch die Meßimpedanz bei angelegter Netzspannung (im Nennbereich) kleiner als 1 mA ist, so dass die Verluste in der Meßimpedanz ZM (vernachlässigbar) klein sind. Bevorzugt ist der (Meß-)Strom kleiner als 0,1 mA.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine bessere Überprüfung der Funktionsfähigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit gegeben ist, insbesondere bei geöffneten Trennkontakten, speziell bei der erfindungsgemäßen Architektur des Schutzschalters.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) 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 µs bis 1 s liegen. Beispielsweise 100 µs, 200 µs, ..., 1 ms, 2 ms, ..., 10 ms, 11 ms, ..., 20 ms, 21 ms, ..., 100 ms, ..., 200 ms, ... 1s.
  • Bei Schaltzeiten im Bereich 1 ms bis 2 ms kann eine Spannungsänderung zur Funktionsprüfung detektiert werden. Bei Zeitspannen von 20 ms bis 100 ms oder 1 Sekunde, kann (mehrfach) überprüft werden, ob etwa 0 V Spannung (Momentan- bzw. dann auch Effektivwert der Spannung) über der elektronischen Unterbrechungseinheit anliegen.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass die elektronische Unterbrechungseinheit hinsichtlich ihrer "Einschaltbarkeit" überprüft werden kann, wobei die Messimpedanz einen detektierbaren Messstrom zur Funktionsprüfung hervorruft.
  • 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.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Schaltung der elektronischen Unterbrechungseinheit für die erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt. Bei Überschreiten eines zweiten Spannungsschwellwertes liegt eine zweite Fehlerbedingung vor, so dass ein weiteres bzw. nachfolgendes niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird. (D.h. bei Unterschreitung des zweiten Spannungsschwellwertes liegt keine Fehlerbedingung vor.) Der zweite Spannungsschwellwert sollte 1 Volt oder besser kleiner als 1 V sein.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass die elektronische Unterbrechungseinheit genauer hinsichtlich ihrer "Einschaltbarkeit" überprüft werden kann, wobei durch die Messimpedanz ein definiertes Potential bereitgestellt wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit bei hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit ermittelt wird. Bei Unterschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes liegt eine erste Fehlerbedingung vor, so dass ein (ggfs. erneutes bzw. erstmaliges) niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden wird oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird. (D.h. bei Überschreitung des ersten Spannungsschwellwertes liegt keine Fehlerbedingung vor.)
  • Dies dient der Überprüfung der elektronischen Unterbrechungseinheit hinsichtlich ihrer "Ausschaltbarkeit", d.h. dem Hochohmig werden der halbleiterbasierten Schaltelemente.
  • Der erste Spannungsschwellwert beträgt zum Beispiel vorteilhafter Weise 5-15 % der Nennspannung des Niederspannungsstromkreises, beispielsweise 10 %.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Überprüfung hinsichtlich des Ausschalterverhaltens der elektronischen Unterbrechungseinheit gegeben ist, wobei die Messimpedanz einerseits ein definiertes Potential und andererseits durch die Höhe des Widerstands- bzw. Impedanzwertes der Messimpedanz eine definierte Spannungshöhe in Verbindung mit (der ermittelbaren) hochohmigen Impedanz der elektronischen Unterbrechungseinheit erzeugt wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Vorliegen einer (der beiden) Fehlerbedingung ein Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit vermieden. Insbesondere wird kein Freigabesignal (enable) an die mechanische Trennkontakteinheit abgegeben. D.h. ein Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit durch eine Handhabe ist nicht möglich.
  • Ferner kann ein niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden werden.
  • Es können noch weitere Fehlerbedingungen existieren.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass nur ein funktionsfähiges Schutzschaltgerät mit einer funktionsfähigen elektronischen Unterbrechungseinheit einschaltbar ist. Somit wird die Betriebssicherheit des Schutzschaltgerätes und dadurch auch im Niederspannungsstromkreis erhöht. Somit ist sichergestellt, dass die Einschaltbarkeit und die Ausschaltbarkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit funktioniert.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Schutzschaltgerät ferner derart ausgestaltet sein, dass weitere Verfeinerungen vorgesehen sind:
    • ein Gehäuse mit einem netzseitigen Neutralleiteranschluss, einem netzseitigen Phasenleiteranschluss, einem lastseitigen Neutralleiteranschluss, einem lastseitigen Phasenleiteranschluss des Niederspannungsstromkreises,
    • eine, insbesondere zweipolige (speziell bei einem einphasigen Stromkreis), mechanische Trennkontakteinheit mit lastseitigen Anschlusspunkten und netzseitigen Anschlusspunkten, wobei die lastseitigen Anschlusspunkte mit den lastseitigen Neutral- und Phasenleiteranschlüssen verbunden sind, so dass ein Öffnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist,
    • eine, insbesondere einpolige, elektronische Unterbrechungseinheit,
      • mit einem netzseitigen Verbindungspunkt, der mit dem netzseitigen Phasenleiteranschluss in elektrischer Verbindung steht, und
      • einem lastseitigen Verbindungspunkt, der mit einem netzseitigen Anschlusspunkt der mechanischen Trennkontakteinheit 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 Niederspannungsstromkreis aufweist,
    • eine 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.
  • Die Höhe der Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt und lastseitigen Verbindungspunkt der elektronischen Unterbrechungseinheit ist ermittelbar bzw. wird ermittelt.
  • 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 erfindungsgemäß die Funktionsfähigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt werden. Erfindungsgemäß 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 eine mit der Steuerungseinheit verbundene erste Spannungssensoreinheit vorgesehen ist, die die Höhe einer/der ersten Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit, insbesondere zwischen netzseitigen Verbindungspunkt und 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 Differenz 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 mehrere bzw. weitere netzseitige und lastseitige Phasenleiteranschlüsse auf, um die Phasen des elektrischen Stromkreises zu schützen. Zwischen jedem der netzseitigen und lastseitigen Phasenleiteranschlüsse ist jeweils eine Serienschaltung einer elektronischen Unterbrechungseinheit bzw. deren halbleiterbasierten Schaltelementen und eines Kontaktes der mechanischen Trennkontakteinheit vorgesehen. Zwischen dem jeweiligen Phasenleiter und Nullleiter kann eine Messimpedanz vorgesehen sein. Ebenso kann zwischen zwei verschiedenen Phasenleitern eine Messimpedanz vorgesehen sein.
  • 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 geöffnet, 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 Öffnen 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 die mechanische Trennkontakteinheit derart ausgestaltet, dass ein Schließen der Kontakte durch die mechanische Handhabe erst nach einer Freigabe (enable), insbesondere einem Freigabesignal, möglich ist.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein erhöhter Schutz und eine erhöhte Betriebssicherheit gegeben ist da ein Einschalten eines defekten Schutzschalters vermieden wird.
  • 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 Schmelzsicherung, oder/und ein Schalter vorgesehen. Vorteilhaft kann speziell die Messimpedanz über diese Verbindung (Sicherung oder/und Schalter) mit dem netzseitigen Neutralleiteranschluss verbunden sein.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine kompakte elektronische Baugruppe ermöglicht wird. Ferner gibt es im Schutzschaltgerät nur eine Querverbindung zwischen Phasenleiter und Neutralleiter. Ein Fehler im Schutzschaltgerät, der einen Kurzschluss zwischen Phasenleiter und Neutralleiter verursacht, kann so leicht geschützt, gesichert bzw. gefunden werden. Vorteilhaft kann die Energieversorgung mit dem Schalter vom Netz getrennt werden, um beispielsweise Isolationsmessungen zu ermöglichen.
  • 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 geöffnet wird,
    • bei einem ermittelten Strom, der einen (noch höheren) dritten Stromwert überschreitet, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit geöffnet 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 kann ein korrespondierendes Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit elektronischen (halbleiterbasierten) Schaltelementen mit den gleichen und weiteren Vorteilen vorgesehen sein.
  • Das Verfahren für ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises 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 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 zwischen zwei Leitern des Niederspannungsstromkreises eine Messimpedanz vorgesehen wird, wobei die Messimpedanz einerseits mit der Verbindung zwischen mechanischer Trennkontakteinheit und elektronischer Unterbrechungseinheit verbunden wird.
  • Zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes wird bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit 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 Überschreiten eines/des zweiten Spannungsschwellwertes liegt eine zweite Fehlerbedingung vor, so dass ein weiteres niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird.
  • Bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) kann ferner die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt werden. Bei Unterschreitung eines/des ersten Spannungsschwellwertes liegt eine erste Fehlerbedingung vor, so dass ein niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird.
  • Erfindungsgemäß kann ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt beansprucht werden. Das Computerprogrammprodukt umfass Befehle, die bei der Ausführung 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 kann ein korrespondierendes computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt gespeichert ist, beansprucht werden.
  • Erfindungsgemäß kann ein korrespondierendes Datenträgersignal, das das Computerprogrammprodukt überträgt, beansprucht werden.
  • Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Schutzschaltgerätes, insbesondere eine Verbesserung der Sicherheit eines Schutzschaltgerätes bzw. in Folge 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 Ausführungsbeispiele, 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 mit ersten Spannungsverläufen,
    • Figur 4 eine vierte Darstellung eines Schutzschaltgerätes mit zweiten Spannungsverläufen,
    • Figur 5 eine fünfte 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;
      • a n der Netzseite GRID ist üblicherweise eine Energiequelle angeschlossen,
      • a n 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 Öffnen 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 Ausführung 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 Niederspannungsstromkreis aufweist bzw. schaltbar ist,
    • eine Stromsensoreinheit SI, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises, die insbesondere im Phasenleiter angeordnet ist,
    • einer Steuerungseinheit SE, die mit der Stromsensoreinheit SI, der mechanischen Trennkontakteinheit MK und der elektronischen Unterbrechungseinheit EU verbunden ist, wobei bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird.
  • Erfindungsgemäß ist zwischen Leitern des Niederspannungsstromkreises eine Messimpedanz derart vorgesehen ist, dass bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit ein Messstrom über die netzseitigen Anschlüsse durch die elektronische Unterbrechungseinheit fließt.
  • Dies kann derart erfolgen, dass zwischen den netzseitigen Anschlusspunkten APLG, APNG der mechanischen Trennkontakteinheit MK eine Messimpedanz ZM geschaltet ist. Die Messimpedanz ZM kann beispielsweise ein elektrischer Widerstand oder/und Kondensator sein. Insbesondere kann die Messimpedanz eine Serienschaltung oder(/und) Parallelschaltung eines Widerstandes oder/und Kondensator sein.
  • Durch die Messimpedanz wird ein definiertes Potential im Schutzschaltgerät erzeugt, insbesondere ein definiertes Spannungspotential über der elektronischen Unterbrechungseinheit EU. Ferner ein definierter Messstrom im Schutzschaltgerät, ohne dass ein Angeschlossener Verbraucher / Last davon beeinflusst wird.
  • Sowohl der Messstrom kann erfindungsgemäß ausgewertet werden, als auch (oder/und) die Spannung über bestimmten Einheiten, wie beispielsweise der elektronischen Unterbrechungseinheit EU.
  • Durch die Auswertung kann das korrekte Verhalten der Einheiten, insbesondere der elektronischen Unterbrechungseinheit EU, erfasst werden.
  • Die Meßimpedanz ZM sollte einen sehr hohen Wert (Widerstands-oder Impedanzwert) haben, um die Verluste gering zu halten. Beispielsweise bei einem Widerstand einem Wert von z.B. 1 MOhm. Ein Wert von 1 MOhm führt zu Verlusten von etwa 50 mW in einem 230 V Niederspannungsstromkreis.
  • Die Meßimpedanz sollte größer als 100 KOhm, 500 kOHm, 1 MOhm, 2 MOhm, 3 MOhm, 4 MOhm oder besser 5 MOhm sein.
  • Das Schutzschaltgerät kann derart ausgestaltet sein, dass 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 SU1 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 SU1 kann alternativ auch die Spannung über der Serienschaltung von elektronischer Unterbrechungseinheit EU und Stromsensor SI ermittelt werden, wie in Figur 1 dargestellt. Die Stromsensoreinheit SI weist einen sehr geringen Innenwiderstand auf, so dass die Ermittlung der Höhe der Spannung nicht oder vernachlässigbar beeinträchtigt wird.
  • 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 Differenzbildung 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 Differenz 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 geöffnet, 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) Öffnen oder ein Schließen der Kontakte KKL, KKN zu schalten. Die mechanische Handhabe HH zeigt den Schaltzustand (Offen oder Geschlossen) der Kontakte der mechanischen Trennkontakte Einheit MK an.
  • Des Weiteren kann die Kontaktstellung (bzw. die Position der Handhabe, geschlossen bzw. geöffnet) 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 Schmelzsicherung, 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 5) 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 SI, die erste Spannungssensoreinheit SU1 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 ist in analoger Weise jeweils eine Serienschaltung einer elektronischer Unterbrechungseinheiten bzw. deren halbleiterbasierte Schaltelemente und ein Kontakt der mechanischen Trennkontakteinheit vorgesehen. Die Messimpedanzen können jeweils zwischen Phasenleiter und Neutralleiter oder/und zwischen den Phasenleitern vorgesehen sein.
  • 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 geöffneten Zustand OFF dargestellt, d. h. mit geöffneten 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 geöffnet wird,
    • bei einem ermittelten Strom, der einen noch höheren dritten Stromwert überschreitet, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit MK geöffnet 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 ULN,
    • die im Schutzschaltgerät durch die zweite Spannungssensoreinheit SU2 gemessene zweite Spannung U2 bzw. UN,GND,
    • die mit der ersten Spannungssensor Einheit SU1 über der elektronischen Unterbrechungseinheit EU gemessene erste Spannung U1 bzw. USW.
  • In dieser Variante gemäß Figur 3 wird die erste Spannung U1 (bzw. USW) direkt über der elektronischen Unterbrechungseinheit gemessen (d.h. ohne Stromsensoreinheit SI). Die zweite Spannung U2 (bzw. UN,GND) entspricht der Netzspannung ULN abzüglich des (minimalen) Spannungsabfalls über der Stromsensoreinheit SI sowie den ohmschen Verlusten.
  • Weiter ist ein Detail der elektronischen Unterbrechungseinheit EU dargestellt, wobei die (einpolige) elektronische Unterbrechungseinheit EU halbleiterbasierte Schaltelemente T1, T2 aufweist. Im Beispiel gemäß Figur 3 sind zwei in Serie geschaltete halbleiterbasierte Schaltelemente T1, T2 vorgesehen. Vorteilhaft ist über der Serienschaltung der beiden halbleiterbasierten Schaltelementen T1, T2 eine Überspannungsschutzeinrichtung TVS vorgesehen.
  • In der Ausgestaltung gemäß Figur 3 sind zwei unidirektionale elektronische Schaltelemente (antiseriell) in Serie geschaltet. 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 unidirektionalen 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.
  • 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,
  • Im ersten Schritt soll die Überprüfung im AUS-Zustand des elektronischen Schutzgerätes betrachtet werden.
  • Dazu ist:
    • Der mechanische Trennkontakteinheit ist geöffnet (Kontakte offen)
    • Die elektronische Unterbrechungseinheit ist ausgeschaltet (halbleiterbasierte Schaltelemente hochohmig)
    • Die Steuerungseinheit (inkl. Controller-Einheit) ist aktiv
  • Das elektrische Potential zwischen der elektronischen Unterbrechungseinheit und der mechanischen Trennkontakteinheit ist durch die Meßimpedanz ZM und der Impedanz der elektronischen Unterbrechungseinheit im ausgeschalteten Zustand definiert (Spannungsteiler).
  • Die Steuerungseinheit kann nun zu einem beliebigen Zeitpunkt (und somit zu einer bestimmten Spannungsaufteilung (je nach Momentanwert der Spannung, Halbwelle der Spannung) die halbleiterbasierten Schaltelemente (welcher der beiden Halbleiter ist aktiv?) einschalten. Unter Berücksichtigung der Polarität der Wechselspannung respektive AC-Spannung können hiermit die Schaltelemente der elektronischen Unterbrechungseinheit EU getestet werden.
  • Die elektronische Unterbrechungseinheit EU (respektive der elektronische Schalter) wird somit für z.B. eine sehr kurze Zeit (im Millisekunden-Bereich) eingeschaltet. Ist die elektronische Unterbrechungseinheit funktionsfähig, kann dies durch die (gleichzeitige) Spannungsmessung (z.B. erste Spannungssensoreinheit, zweite Spannungssensoreinheit) und (anschließende) Auswertung festgestellt werden. Z.B. kann bei einem defekten halbleiterbasierten Schaltelement festgestellt werden, ob er stets eingeschaltet bleibt (Fehlerbild: "durchlegiert") oder stets ausgeschaltet bleibt (Fehlerbild: "durchgebrannt").
  • Somit sind zwei typische und häufige Fehlerbilder abgedeckt. Ist die Überprüfung fehlerfrei, kann eine (erste) Freigabebedingung zum Einschalten des Schutzschaltgerätes, speziell der elektronischen Unterbrechungseinheit bzw. der mechanischen Trennkontakteinheit, vorliegen.
  • Ist die Überprüfung nicht fehlerfrei, wird keine Freigabe zum Einschalten des Schutzschaltgerätes erfolgen, es lieget eine Fehlerbedingung vor, sodass der Abgang bzw. Verbraucher / Load nicht eingeschaltet werden kann und somit ein gefährlicher Zustand verhindert wird.
  • Das Schutzschaltgerät ist derart ausgestaltet, dass bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit MK und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit EU die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit, d.h. die erste Spannung U1, ermittelt wird. Bei Unterschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes liegt eine erste Fehlerbedingung vor, so dass ein niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird. Bezüglich der mechanischen Trennkontakteinheit MK wird beispielsweise ein Freigabesignal enable von der Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakteinheit MK nicht abgegeben.
  • Auf der rechten Seite der Figur 3 sind drei dazu korrespondierende Spannungsverläufe über der Zeit dargestellt. Auf der vertikalen y-Achse ist die Höhe der Spannung in Volt und auf der horizontalen x-Achse die Zeit in Millisekunden (ms) aufgetragen. Es ist jeweils der Verlauf der Höhe der ersten Spannung U1 und der Höhe der zweiten Spannung U2 über der Zeit dargestellt.
  • In der ersten oberen Grafik NORM sind die Spannungsverläufe für einen fehlerfreien Zustand der elektronischen Unterbrechungseinheit EU dargestellt. Die Differenz der Amplitude zwischen erster Spannung U1 und zweiter Spannung U2 ist in diesem Fall durch den Spannungsabfall über der Messeimpedanz ZM bedingt. Der erste Spannungsschwellwert sollte sich an der Größe der Meßimpedanz orientieren. Der erste Spannungsschwellwert sollte beispielsweise etwas kleiner sein, als die Nennspannung abzüglich des Spannungsabfalls über der Messimpedanz. Ist die erste Spannung U1 größer als der erste Spannungsschwellwert, liegt eine fehlerfreie elektronische Unterbrechungseinheit EU vor. Die Auswertung kann basierend auf den Momentanwerten der Spannung als auch auf den Effektivwerten der Spannung erfolgen. Ist die erste Spannung U1 größer als der erste Spannungsschwellwert liegt folglich eine erste Freigabebedingung vor, in deren Folge die elektronische Unterbrechungseinheit niederohmig werden darf oder/und ein Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakte Einheit ermöglicht wird. Dies ist in Figur 3 durch einen Pfeil, mit der Bezeichnung enable, von der Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakteinheit MK dargestellt, für die Freigabe des Schließens der Kontakte der mechanischen Trennkontakte Einheit MK durch die Handhabe HH. Die Verbindung bzw. der Pfeil von der Steuerungseinheit SE zur elektronischen Unterbrechungseinheit EU weist eine Darstellung eines Verlaufs des Schaltzustandes der elektronischen Unterbrechungseinheit über der Zeit auf, bei der ein ausgeschalteter/hochohmiger Zustand mit off und ein eingeschalteter/niederohmiger Zustand der elektronischen Unterbrechungseinheit EU mit on gekennzeichnet ist. Im Beispiel befindet sich die elektronische Unterbrechungseinheit EU im ausgeschalteten Zustand off, was durch einen geraden Strich neben ,off' dargestellt ist.
  • In der zweiten mittleren Grafik ,T1 is "shorten‴ ist der Spannungsverlauf für eine defekte elektronische Unterbrechungseinheit EU dargestellt, bei der im Beispiel ein halbleiterbasiertes Schaltelement, im Beispiel das Schaltelement T1, ständig leitfähig ist (durchlegiert/kurzgeschlossen). Dadurch fließt in einer Halbwelle der elektrischen Spannung ein Strom durch die elektronische Unterbrechungseinheit, obwohl diese eigentlich hochohmig ist (sein sollte). Die Leitfähigkeit in der durch das betroffene halbleiterbasierte Schaltelement betroffenen Stromrichtung verhindert den Aufbau einer Spannung über dem betroffenen halbleiterbasierten Schaltelement. D.h., die Höhe der ersten Spannung U1 kann den ersten Spannungsschwellwert nicht überschreiten, was mittels der ersten Spannungssensoreinheit SU1 in Verbindung mit der Steuerungseinheit SE ermittelt werden kann. Dies ist in Figur 3 durch die Abkürzung DT angedeutet.
  • In der dritten unteren Grafik ,T2 is "shorten"' ist der Spannungsverlauf für eine defekte elektronische Unterbrechungseinheit EU dargestellt, bei der das andere halbleiterbasierte Schaltelement, im Beispiel der Schaltelement T2, ständig leitfähig ist (durchlegiert/kurzgeschlossen). Es gilt analog das zur mittleren Grafik gesagte.
  • In der zweiten und dritten Grafik ist ein Fehlerzustand der elektronischen Unterbrechungseinheit EU dargestellt, der bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmiger Unterbrechungseinheit erfindungsgemäß vor dem Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit gefunden werden kann und ein manuelles Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit verhindert.
  • Dies wird noch einmal mit anderen Worten erläutert. Figur 3 zeigt eine Übersicht zum Schaltbild und Spannungsverläufe für den Fall, dass ein Schaltelement in der elektronischen Unterbrechungseinheit defekt ist, in diesem Fall durchlegiert/kurzgeschlossen ist. Da typischerweise unidirektional sperrende Leistungs-Halbleiter eingesetzt werden, kann je nach angelegter Spannungspolarität das halbleiterbasierte Schaltelement T1 oder T2 auf Funktionalität geprüft werden. Liegt an den Anschlüssen eines funktionsfähigen Schutzschaltgerätes eine Wechselspannung an, entsteht über der elektronischen Unterbrechungseinheit eine Spannung U1 bzw. Usw, die über eine entsprechende erste Spannungssensoreinheit SU1 ermittelt werden kann. Dies ist in der oberen Grafik NORM dargestellt. Ist eines der beiden Schaltelemente durchlegiert, kann die Spannung von der elektronischen Unterbrechungseinheit nicht mehr aufgenommen werden. Die gemessene Spannung wird hier für einen gewissen Zeitraum (ca. 5ms) Null. Dies ist in den beiden Verläufen 'T1 is "shorten"' und ,T2 is "shorten"' dargestellt. Dies ermöglicht das Messen bzw. das Feststellen eines defekten Schaltelementes. Sind beide Schaltelemente durchlegiert, ist die erste Spannung U1 bzw. Usw stets null (nicht dargestellt).
  • Figur 4 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 3 mit dem Unterschied, dass die elektronische Unterbrechungseinheit EU kurzzeitig ein und ausgeschaltet wird. Dies ist durch ein Rechtecksignal bezüglich der Zustände off on an der Verbindung zwischen Steuerungseinheit SE elektronischer Unterbrechungseinheit EU angedeutet.
  • Auf der rechten Seite der Figur 4 sind wieder drei Grafiken gemäß Figur 3 dargestellt. Gezeigt sind Spannungsverläufe für den Fall, dass ein Schaltelement in der elektronischen Unterbrechungseinheit defekt ist, in diesem Fall durchgebrannt/offen ist. Da typischerweise unidirektional sperrende Leistungs-Halbleiter eingesetzt werden, kann je nach angelegter Spannungspolarität Schaltelement T1 oder T2 auf Funktionalität geprüft werden.
  • Liegt netzseitig am funktionsfähigen Schutzschaltgerät eine Wechselspannung an, entsteht über der elektronischen Unterbrechungseinheit eine Spannung U1 bzw. Usw, die über eine entsprechende Spannungsmessung (erste Spannungssensoreinheit SU1) gemessen werden kann. Dies ist in den oberen Verläufen "Health" dargestellt.
  • Um zu überprüfen, ob eines der beiden halbleiterbasierten Schaltelemente durchgebrannt ist, wird ein kurzer Einschaltimpuls gegeben, erste Zeitspanne. Ist eines der beiden enthaltenen Schaltelemente durchgebrannt, kann das Schaltelement von der elektronischen Unterbrechungseinheit nicht mehr eingeschaltet werden. Dann bleibt auch bei einem Einschalten die gemessene Spannung stets wie im ausgeschalteten Zustand. Dies ist in der mittleren Grafik ,T1 is "open"' und der unteren Grafik ,T2 is "open"' dargestellt. Dies ermöglicht das Messen bzw. das Feststellen eines defekten Schaltelementes.
  • D.h. das Schutzschaltgerät ist derart ausgestaltet, dass bei geöffneten 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, die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt wird.
  • Bei Überschreitung eines zweiten Spannungsschwellwertes liegt eine zweite Fehlerbedingung vor, so dass ein niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird.
  • Das Schutzschaltgerät ist vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass bei Vorliegen einer Fehlerbedingung ein Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit MK vermieden wird. Insbesondere wird kein Freigabesignal (enable) an die mechanische Trennkontakteinheit MK abgegeben.
  • Figur 5 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 1 bis 4, 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 Messimpedanz ZM, die Stromsensoreinheit SI, die elektronische Unterbrechungseinheit EU, die Energieversorgung NT, aufweisen. Ferner kann der erste Teil die erste Spannungssensoreinheit SU1, die zweite Spannungssensoreinheit SU2, die Schmelzsicherung SS, einen Schalter SCH, 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 enable vorliegt.
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  • 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
    • Stromsensoreinheit zur Messung des (Last)Stromes
    • mechanische Trennkontakteinheit inkl. Handhabe (inkl. Anzeige der Kontaktstellung, Auslöser durch die Elektronik, Trennereigenschaften)
    • elektronische Unterbrechungseinheit mit halbleiterbasierten Schaltelementen
    • Steuerungseinheit
    • Messimpedanz
    • die Funktionsfähigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit wird überprüft,
    • durch die kontinuierliche Messung der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit. Hier kann z.B. im eingeschalteten Zustand festgestellt werden, ob z.B. ein Halbleiterbauelement durchgebrannt ist.
    • indem die elektronische Unterbrechungseinheit kurzzeitig (<10ms, bevorzugt <1ms, allgemein: <20ms, 50ms, 100ms, 200ms, 500ms oder 1s) bei geöffneten Kontakten 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.
  • Vorteilhaft wird zunächst erstmal gemessen, dann geschaltet und gemessen.
  • Die Messimpedanz sorgt für einen definierten / festlegbaren Messstrom bzw. ein definiertes Potential / definierte/festlegbare Spannungsabfälle. Die Messimpedanz ist zwischen den beiden Leitern / Strombahnen (Phasenleiter L und Neutralleiter N) angebracht, um das elektrische Potential zwischen der elektronischen Unterbrechungseinheit EU und der mechanischen Trennkontakte Einheit für Messzwecke zu definieren (kein "floatendes" Potential.)
  • 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 funktionsfähig bzw. nicht funktionsfähig ist.
  • Die Steuerungseinheit SE kann (dazu) einen Mikrocontroller aufweisen. Auf dem Mikrocontroller kann das Computerprogrammprodukt ausgeführt werden. Das Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bei der Ausführung 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.
  • Insbesondere sind:
    • die erste Zeitspanne: sehr kurz bis kurz, 10µs bis 1s,
    • der erste Spannungsschwellwert: 5-10% der (RMS-) Netzspannung, z.B. 10-20 V, ggfs. abhängig von der Höhe der Messimpedanz
    • der zweite Spannungsschwellwert: kleiner als 1 Volt, relativ unabhängig von der Höhe der Messimpedanz (bei hohen Werten der Messimpedanz)
  • Zusammengefasst:
    • Hochohmige Messimpedanz (bevorzugt R und/oder C) zur Festlegung des elektrischen Potentials zwischen elektronischer Unterbrechungseinheit und mechanischer Trennkontakteinheit
    • Stromermittlung durch bzw. Spannungsermittlung über der elektronischen Unterbrechungseinheit, um: einen durchlegierten oder durchgebrannten Zustand eines Leistungshalbleiters zu erkennen
    • Freigabe der Möglichkeit zum Einschalten des mechanischen Trennkontakteinheit nach fehlerfreier Prüfung der elektronischen Unterbrechungseinheit
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der angefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims (17)

  1. Schutzschaltgerät (SG) zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises aufweisend:
    - ein Gehäuse (GEH) mit netzseitigen Anschlüssen und mindestens einem lastseitigen Anschluss,
    - eine mechanische Trennkontakteinheit (MK), die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) geschaltet ist, wobei die mechanische Trennkontakteinheit dem lastseitigen Anschluss und die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) den netzseitigen Anschlüssen zugeordnet ist,
    - dass die mechanische Trennkontakteinheit (MK) durch ein Öffnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Nieder-spannungsstromkreis 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 (SI), zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises,
    - einer Steuerungseinheit (SE), die mit der Stromsensoreinheit (SI), der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) verbunden ist, wobei bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass zwischen Leitern des Niederspannungsstromkreises eine Messimpedanz (ZM) derart vorgesehen ist, dass bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) ein Messstrom über die netzseitigen Anschlüsse durch die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) fließt.
  2. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Messimpedanz (ZM) einerseits mit der Verbindung zwischen mechanischer Trennkontakteinheit (MK) und elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) verbunden ist.
  3. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Messimpedanz (ZM) anderseits mit dem anderen Leiter am netzseitigen Anschluss verbunden ist
  4. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Messimpedanz ein elektrischer Widerstand oder/und Kondensator ist.
  5. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Messimpedanz eine Serienschaltung eines elektrischen Widerstandes und Kondensators ist.
  6. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Messimpedanz einen hohen Widerstands- oder Impedanzwert aufweist, insbesondere dass der Widerstandswert größer als 100 kOhm, 500 kOhm, 1 MOhm, 2 MOhm, 3 MOhm, 4 MOhm oder 5 MOhm ist.
  7. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist,
    dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geöffneten 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, so dass ein Messstrom über die Messimpedanz fließt, zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes, insbesondere der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU).
  8. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist, dass für einen Leiter die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) ermittelbar ist.
  9. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist, dass bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) die Höhe der durch die Messimpedanz festgelegten Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit bei hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) ermittelt wird,
    dass bei Unterschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes eine erste Fehlerbedingung vorliegt, so dass ein niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird.
  10. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 8 oder 9,
    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 Überschreiten eines zweiten Spannungsschwellwertes eine zweite Fehlerbedingung vorliegt, so dass ein weiteres niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird.
  11. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 9 und 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei Vorliegen einer Fehlerbedingung ein Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) vermieden wird,
    insbesondere kein Freigabesignal (enable) an die mechanische Trennkontakteinheit (MK) abgegeben wird.
  12. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine mit der Steuerungseinheit (SE) verbundene erste Spannungssensoreinheit (SU1) vorgesehen ist, die die Höhe einer ersten Spannung zwischen einem netzseitigen Verbindungspunkt (EUG) und einem lastseitigen Verbindungspunkt (EUL) der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) ermittelt.
  13. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 11,
    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 Differenz zwischen zweiter und dritter Spannung die Höhe einer ersten Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt (EUG) und lastseitigen Verbindungspunkt (EUL) der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) ermittelt wird.
  14. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stromsensoreinheit (SI) stromkreisseitig zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und lastseitigen Phasenleiteranschluss vorgesehen ist.
  15. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die mechanische Trennkontakteinheit (MK) derart ausgestaltet ist, dass ein Schließen der Kontakte durch eine mechanische Handhabe erst nach einer Freigabe (enable), insbesondere einem Freigabesignal, möglich ist.
  16. 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) geöffnet wird,
    - bei einem ermittelten Strom, der einen dritten Stromwert überschreitet, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit (MK) geöffnet wird.
  17. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuerungseinheit (SE) einen Mikrocontroller aufweist.
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