EP4377981B1 - Schutzschaltgerät - Google Patents

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EP4377981B1
EP4377981B1 EP22744392.6A EP22744392A EP4377981B1 EP 4377981 B1 EP4377981 B1 EP 4377981B1 EP 22744392 A EP22744392 A EP 22744392A EP 4377981 B1 EP4377981 B1 EP 4377981B1
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EP
European Patent Office
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current
unit
switched
low
electronic interruption
Prior art date
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EP22744392.6A
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English (en)
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EP4377981A1 (de
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Marvin TANNHÄUSER
Fabian Döbler
Felix FREI
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=78957818&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP4377981(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4377981A1 publication Critical patent/EP4377981A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4377981B1 publication Critical patent/EP4377981B1/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
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
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    • 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
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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.
  • 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 at the outset, in particular to propose a new design for a protective switching device in order 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 series connection of a measuring impedance and a switch is provided between conductors of the low-voltage circuit in such a way that when the switch is closed and the electronic interruption unit is switched to low impedance, a measuring current flows through the electronic interruption unit via the mains-side connections.
  • the series connection of the measuring impedance and the switch 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 optionally flow 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.
  • the measuring impedance is an electrical resistor and/or capacitor, i.e., a single element or a series or parallel connection of an electrical resistor and a capacitor. Alternatively, a series and parallel connection of two, three, four, five, etc. elements.
  • the measuring impedance can have a high resistance or impedance value to advantageously keep losses low.
  • a switchable measuring impedance i.e., the series connection of a measuring impedance (ZM) and a switch (Smeas)
  • the measuring impedance can advantageously have a lower resistance value, since losses are limited by a temporary connection via the switch.
  • the resistance value can be less than 1 MOhm, 500 kOhm, 100 kOhm, 50 kOhm, 10 kOhm, 5 kOhm, 1 kOhm, 500 Ohm, or 100 Ohm.
  • the use of a measuring resistor of, for example, 1 MOhm results in approximately 50 mW of losses.
  • the value of the measuring impedance is dimensioned such that, with a high-impedance electronic interruption unit and the measuring impedance switched on (closed switch), and the contacts of the mechanical isolating contact unit closed, the voltage at the load-side terminals (or at least one load-side terminal relative to the other potential) is less than a first voltage level.
  • the first voltage level can be equal to or less than the maximum value of the protective extra-low voltage (50 volts AC, effective value). This advantageously reduces or defines the voltage at the load-side terminals caused by a leakage current of the electronic interruption unit.
  • the switch is a controllable switch.
  • the switch is connected to the control unit so that the switch can be switched on and off by the control unit.
  • the switch can be a relay, such as a reed relay, or a so-called analog switch, i.e., a switch that can be switched (on/off) by a control signal, whereby the switched signal (measurement current) can be an analog (or digital) signal.
  • the switch can also be an electronic switch, such as a TRIC, thyristor, IGBT, or MOSFET.
  • control unit can generate a measuring current depending on the state of the electronic interruption unit.
  • the protective switching device is designed such that the switch is switched on when the high-impedance electronic interruption unit is activated.
  • This has the particular advantage that when the high-impedance electronic interruption unit is activated and the contacts of the mechanical isolating contact unit are closed, a defined (low) potential is present at the load-side connections.
  • the potential is determined by the level of the (connected) measuring impedance. For example, the lower the resistance value of the measuring impedance, the lower the potential difference at the load-side connections.
  • the potential difference is also determined by the leakage current of the electronic interruption unit. The lower the leakage current of the electronic interruption unit, the lower the potential difference/voltage drop across the (connected) measuring impedance.
  • the protective switching device is designed such that the switch is switched off when the low-resistance electronic interruption unit is used.
  • the protective switching device is designed in such a way that that the switch is switched on when the electronic interruption unit is high-impedance and switched off when the electronic interruption unit is low-impedance.
  • the protective switching device is designed such that that with a high-impedance electronic interruption unit and the switch switched on, the current level is determined by means of the current sensor unit. If a first current threshold is exceeded, it is concluded that the electronic interruption unit is faulty. If a first current threshold is exceeded, the electronic interruption unit can usually not be switched off, i.e. a high-impedance state is no longer present. For example, the semiconductor-based switching elements are completely alloyed (permanently conductive / short-circuited). If a first current threshold is exceeded, which concludes that the electronic interruption unit is faulty, the protective switching device can be designed in such a way that the mechanical isolating contact unit cannot be closed or is opened.
  • the first current threshold can be in the range of less than 50 mA, advantageously less than 6 mA.
  • the protective switching device is designed such that, in order to test the function of the protective switching device with the contacts of the mechanical isolating contact unit open and the electronic interruption unit switched to high impedance and the switch switched on, the electronic interruption unit is switched to a low impedance state for a first period of time without the switch being switched off, so that the measuring current flows through the measuring impedance, in order to test the function of the protective switching device, in particular the 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 second tolerance range can be, for example, +/- 10% to +/- 100% of this value.
  • the first time range can be in the range 10 ms to 10 s.
  • the switch is switched to a closed state for the first time period when the current level determined by the current sensor unit falls below a first current level.
  • the first current level can be less than 5 A, 1 A, or in particular less than 0.5 A.
  • 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 protective switching device is designed in such a way that when the The voltage level across the electronic interruption unit, determined by the switched-on measuring impedance, is determined between the contacts of the mechanical isolating contact unit and the switch is switched on, when the electronic interruption unit is switched to high resistance. If the voltage falls below a first voltage threshold, a first fault condition is present, so that the electronic interruption unit is prevented from becoming low-resistance (if necessary again or for the first time) and/or the mechanical isolating contact unit cannot be closed or is opened.
  • the first voltage threshold depends on the magnitude of the measuring impedance.
  • the voltage across the (functional) switched-off (high-impedance) electronic interrupter corresponds to the applied mains voltage minus the voltage drop across the measuring impedance.
  • the electronic interruption unit when the electronic interruption unit is switched to the low-resistance state for the first time period without the switch being switched off, the level of the voltage across of the electronic interruption unit. If a second voltage threshold is exceeded, a second fault condition exists, so that a further or subsequent low-resistance condition of the electronic interruption unit is avoided and/or the mechanical isolating contact unit cannot be closed or is opened.
  • the second voltage threshold should be 1 volt or better less than 1 V.
  • 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 mechanical isolating contact unit can be opened.
  • 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.
  • a new architecture or structural design of a protective switching device is proposed, with which an increased operational reliability of a protective switching device or of the low-voltage circuit is achieved.
  • 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 connected to the control unit which determines the level of a second voltage between the mains-side neutral conductor connection and the mains-side phase conductor connection.
  • a third voltage sensor unit connected to the control unit which detects the magnitude 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 such that the magnitude of a/the first voltage between the mains-side connection point and the load-side connection point of the electronic interruption unit is determined from the difference between the second and third voltages.
  • 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 current sensor unit is provided between the mains-side phase conductor connection and the mechanical isolating contact unit, in particular so that the measuring current caused by the switched-on switch can be detected by the current sensor unit.
  • 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 a 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.
  • the measuring impedance can be connected to the supply conductor connected to the mains-side neutral conductor connection.
  • 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 further advantages can be provided.
  • the switch is switched on when the electronic interruption unit is high-impedance and off when the electronic interruption unit is low-impedance. This allows a defined potential to be generated when the electronic interruption unit is high-impedance, and minimizes losses due to the measuring impedance when the electronic interruption unit is low-impedance.
  • the current level can be determined using the current sensor unit to test the function of the protective switching device. If a first current threshold is exceeded, a faulty electronic interruption unit is concluded. As a result, the mechanical isolating contact unit cannot be closed or is opened.
  • the electronic interruption unit is switched to a low-resistance state for an initial period of time with the contacts of the mechanical isolating contact unit open, the switch closed/switched on and the high-resistance switched electronic interruption unit.
  • the current (measurement current) and/or the voltage across the electronic interruption unit is determined.
  • the measured current is compared with a target measurement current and, in the event of a deviation from the target measurement current that exceeds a first If the tolerance range is exceeded, the faulty protective switching device is assumed.
  • the mechanical isolating contact unit cannot be closed or is opened.
  • the detected voltage level is compared with a target voltage level. If the deviation from the target voltage level lies outside a second tolerance range, it is concluded that the electronic interruption unit is faulty.
  • the mechanical isolating contact unit cannot be closed or is opened.
  • 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 series connection of a measuring impedance ZM and a switch Smeas is provided between conductors of the low-voltage circuit in such a way that when the switch Smeas is closed and the electronic interruption unit EU is switched to low impedance, a measuring current flows through the mains-side connections LG, NG through the electronic interruption unit EU.
  • Figure 1 When the switch Smeas is closed and the contacts of the mechanical isolating contact unit MK and the low-resistance switched electronic interruption unit EU are open, a measuring current flows via the mains-side connections LG, NG through the electronic interruption unit EU.
  • the measuring impedance ZM can, for example, be an electrical resistor and/or capacitor.
  • the measuring impedance can be a series circuit or/and parallel circuit of a resistor and/or capacitor.
  • the switched-on measuring impedance generates a defined potential in the protective switching device, in particular a defined voltage potential across the electronic interruption unit EU, specifically at the load-side connection point EUL.
  • a defined measuring current can be generated in the protective switching device, especially when the contacts of the mechanical isolating contact unit MK are open.
  • an additional current can be generated by the switched measuring impedance without affecting a connected consumer/load.
  • both the measuring current (or additional (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 high value (resistance or impedance value) to keep losses low.
  • the invention also allows medium and smaller values (resistance or impedance values) to be used.
  • the resistance value can be less than 1 MOhm, 500 kOhm, 100 kOhm, 50 kOhm, 10 kOhm, 5 kOhm, 1 kOhm, 500 Ohm or 100 Ohm.
  • the switch or switchable measuring impedance can reduce the losses, since (larger) losses would only occur when the measuring impedance is switched on and the electronic interruption unit is in a low-resistance state.
  • the switch Smeas is controllable, meaning it can be electrically switched on and off.
  • the switch is connected to the control unit SE, so it can be switched on and off.
  • the switch Smeas can be switched on or off by a control signal Control Smeas, which is indicated by an arrow from the control unit SE to the switch Smeas ("Control Smeas" with "(on/off)") ( Figure 2 ).
  • the protective switching device is designed in such a way that the switch (Smeas) is on when the electronic interruption unit (EU) is high-impedance, and especially that the switch (Smeas) is off when the electronic interruption unit (EU) is low-impedance. This allows losses due to the measuring impedance to be reduced, even at low values.
  • 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 voltage level 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 mains-side neutral conductor connection NG and the load-side connection point EUL of the electronic interruption unit EU.
  • the protective switching device is designed such 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 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 in such a way that the contacts of the mechanical isolating contact unit MK can be opened by the control unit SE, but not closed, which is indicated by an arrow with "b.) open” from the control unit SE to the mechanical isolating contact unit MK ( Figure 2 ).
  • 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 such that (manual) closing of the contacts by the mechanical handle is only possible after an enable, in particular an enable signal. This is also indicated by the arrow with "a.) enable” from the control unit SE to the mechanical isolating contact unit MK ( Figure 2 ).
  • an additional release unit LC can be provided ( Figure 2 ).
  • 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.
  • a three-pole electronic unit EPART ( Figure 2) can advantageously be implemented, for example, as a module with three connection points: one neutral conductor connection point and two phase conductor connection points.
  • the electronic unit EPART comprises, for example, the electronic interruption unit EU, the control unit SE, the power supply NT (especially including the fuse SS), the current sensor unit SI, the first voltage sensor unit SU1, optionally the second voltage sensor unit SU2, and the series circuit consisting of the (electrically switchable) switch Smeas and the measuring impedance ZM.
  • 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.
  • Low-resistance refers to a condition in which the current value specified on the protective device could flow. Specifically, low-resistance refers to resistance values less than 10 ohms, preferably less than 1 ohm, 100 milliohms, 10 milliohms, 1 milliohm, or less.
  • Figure 2 shows an illustration according to Figure 1 , with the difference that the protective switching device is essentially constructed in two parts, with a first (three-pole) part / electronic unit EPART and a second mechanical part / mechanical unit MPART.
  • the first electronic part EPART can, for example, be arranged on a printed circuit board and contains the units mentioned or shown above.
  • the second part MPART can include the mechanical isolating contact unit MK, the handle HH, and a release unit LC. Furthermore, the second part can include a positioning unit POS (not shown) 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).
  • POS positioning unit
  • the protective switching device may further comprise a communication unit COM, a display unit DISP, and an input unit EE. These may be assigned to the control unit SE or connected to it, as shown in Figure 2 indicated.
  • a current measurement and/or voltage measurement is provided across the electronic interruption unit EU. If the electronic interruption unit EU is in a high-impedance state, the potential between the electronic interruption unit EU (EUL) and the mechanical isolating contact unit MK (APLG) is undetermined when the contacts are open, or it is co-determined by the connected load/consumer when the contacts are closed. According to the invention, a measuring impedance is provided between this point and the other conductor/neutral conductor in the protective switching device. This (co-)determines the electrical potential at this point.
  • the design of the measuring impedance is problematic because, for an accurate measurement, the value of the measuring impedance (e.g., resistance) must be as small as possible (compared to the resistance of the electronic interruption unit (EU) in the high-impedance state.
  • the measuring impedance is arranged/connected between the two conductors (phase conductor and neutral conductor), which causes permanent losses, so the value of the measuring impedance should be as high as possible. To accommodate both, a compromise must be made during the design.
  • this leakage current can supply the load with very little power.
  • loads that require very little power e.g., LEDs
  • this can lead to the load being supplied with energy, which is undesirable.
  • a series connection of an (electrically) switchable switch Smeas and a measuring impedance, such as a switchable measuring resistor in the protective switching device, is proposed.
  • the measuring impedance ZM can be switched on or off via the (semiconductor) switch Smeas, for example.
  • the measuring impedance can be switched on (switch Smeas on or closed) in order to determine the potential at the load-side connection point or connection point EUL of the electronic interruption unit EU and to establish an electrically conductive connection from this point to the mains-side neutral conductor connection.
  • the measuring impedance then forms a high-impedance voltage divider together with the high-impedance/switched off electronic interruption unit EU.
  • the voltage divider is dimensioned such that the majority of the mains voltage is dropped across the switched off/high-impedance electronic interruption unit.
  • a value of the protective extra-low voltage i.e. a maximum of 50 volts, can advantageously be dropped across the measuring impedance.
  • the voltage divider is dimensioned so that a maximum voltage value, e.g. of 50 volts AC (effective value), drops across the switched-on measuring resistor (in a 230 volt low-voltage circuit).
  • a voltage measurement across the electronic interruption unit EU can be used to check or monitor the functionality of the electronic interruption unit EU.
  • the active measuring impedance advantageously diverts a constantly present leakage current, e.g., caused by existing (parasitic) capacitances in the electronic interruption unit (EU), to the mains-side neutral conductor connection.
  • This leakage current is typically less than 1 mA, but can lead to an unwanted energy flow to the load, which is thus avoided.
  • the dimensioning/design of the measuring impedance should be carried out based on the following points.
  • the measuring impedance together with the deactivated electronic interruption unit EU, forms a high-impedance voltage divider.
  • This voltage divider should be dimensioned so that the voltage drop across the measuring impedance is less than the protective extra-low voltage (50 Vac), since this voltage is present at the load-side terminals LL and NL.
  • the measuring impedance can be 10% of the impedance of the deactivated electronic interruption unit. If this is 2 MOhm, for example, the value of the measuring impedance ZM should be less than 200 kOhm. A maximum of 23 Vac can then occur at the load-side terminals LL and NL.
  • the measuring impedance ZM protects the switch Smeas from overvoltages (e.g., surges). When switched on and with closed contacts, the switch Smeas and the measuring impedance ZM are located between the phase conductor and the neutral conductor. This means that the switch Smeas would be loaded in the event of mains overvoltages (e.g., triggered by surge events). In this case, measuring impedance ZM protects the switch Smeas from destruction, as it represents a larger series resistance and thus prevents a higher pulse current in the device.
  • overvoltages e.g., surges
  • the measuring impedance ZM can be dimensioned to protect the protective switching device from thermal destruction in the event of a defective switch Smeas.
  • the current that would flow through the measuring impedance in this case is limited by the measuring impedance to a maximum value, e.g., a few tens of mA.
  • the switchable measuring impedance can be used to check and, if necessary, calibrate the included current measurement.
  • the control unit SE switches on the electronic interruption unit EU and the switch Smeas, so that (especially when the contacts of the mechanical isolating contact unit MK are open) a measuring current imeas ( Figure 2 ) flows, which is detected by the current sensor unit SI.
  • a measuring current imeas Figure 2
  • this can be in the range of a few mA or a few tens of mA, so that the current measurement (current sensor unit SI and control unit SE) can be checked for appropriate functionality.
  • the electronic interruption unit EU is switched back to high impedance. The measurement only takes a few ms, e.g., 10 ms, 20 ms, or a (further) multiple of half the mains period.
  • the test and, if necessary, calibration can be carried out advantageously before the closing of the contacts of the mechanical isolating contact unit is enabled using the handle.
  • the measurement (with appropriate dimensioning) can also be performed with closed contacts and a low-impedance electronic interruption unit (EU) by briefly closing the switch Smeas, generating an additional (measurement) current through the measuring impedance in the circuit.
  • the additional measurement current imeas is then recorded by the current sensor unit and evaluated by the control unit (algorithm), particularly to distinguish it from the normal load current.
  • a computer program product or algorithm which switches the electronic interruption unit EU or the switch Smeas 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 instructions that are executed by the Microcontrollers cause the protective switching device to control, 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.

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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 Lichtbogenlöschkammer(n) bzw. Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung sind vorgesehen. Ferner Anschlusselemente für Leiter des zu schützenden elektrischen Stromkreises.
  • Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit sind relativ neuartige Entwicklungen. Diese weisen eine halbleiterbasierte elektronische Unterbrechungseinheit auf. D.h. der elektrische Stromfluss des Niederspannungsstromkreises wird über Halbleiterbauelemente respektive Halbleiterschalter geführt, die den elektrischen Stromfluss unterbrechen bzw. leitfähig geschaltet werden können. Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit weisen ferner häufig ein mechanisches Trennkontaktsystem auf, insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß einschlägigem Normen für Niederspannungsstromkreise, wobei die Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet sind, d.h. der Strom des zu schützenden Niederspannungsstromkreises wird sowohl über das mechanische Trennkontaktsystem als auch über die elektronische Unterbrechungseinheit geführt.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Niederspannungswechselstromkreise, mit einer Wechselspannung, üblicherweise mit einer zeitabhängigen sinusförmigen Wechselspannung mit der Frequenz f. Die zeitliche Abhängigkeit des momentanen Spannungswertes u(t) der Wechselspannung ist durch die Gleichung: u t = U * sin 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 eine neue Ausgestaltung für ein Schutzschaltgerät vorzuschlagen, um 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 oder ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises, insbesondere Niederspannungswechselstromkreises, vorgeschlagen, aufweisend:
    • ein Gehäuse mit netzseitigen Anschlüssen und mindestens 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 den netzseitigen Anschlüssen zugeordnet ist,
    • dass die mechanische Trennkontakteinheit durch ein Öffnen von mindestens einem Kontakt zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen des mindestens einem Kontakt 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 Serienschaltung einer Messimpedanz und eines Schalters derart vorgesehen, dass bei geschlossenem Schalter und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit ein Messstrom über die netzseitigen Anschlüsse durch die elektronische Unterbrechungseinheit fließt.
  • D.h. es wird eine zuschaltbare Messimpedanz vorgeschlagen, so dass wahlweise ein Messstrom bzw. ein definiertes Potential im Schutzschaltgerät erzeugbar ist.
  • Die Serienschaltung der Messimpedanz und des Schalters 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, wahlweise 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.
  • So kann bei geschlossenem Schalter und geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit ein Messstrom über die netzseitigen Anschlüsse durch die elektronische Unterbrechungseinheit fließen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und im Ausführungsbeispiel angegeben.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messimpedanz ein elektrischer Widerstand oder/und Kondensator, d.h. ein einzelnes Element oder eine Serien- bzw. Parallelschaltung eines elektrischen Widerstandes und eines Kondensators. Alternativ eine Serien- und Parallelschaltung zweier, dreier, vierer, fünfer, ... Elemente.
  • Speziell kann die Messimpedanz einen hohen Widerstandswert bzw. Impedanzwert haben, um vorteilhaft die Verluste gering zu halten. Durch die schaltbare Messimpedanz, d.h. die Serienschaltung einer Messimpedanz (ZM) und eines Schalters (Smeas) kann die Messimpedanz vorteilhaft einen geringeren Widerstandswert aufweisen, da die Verluste durch eine temporäre Zuschaltung mittels des Schaltes begrenzt werden. Insbesondere kann dadurch der Widerstandswert kleiner als 1 MOhm, 500 kOhm, 100 kOhm, 50 kOhm, 10 kOhm, 5 kOhm, 1 kOhm, 500 Ohm oder 100 Ohm sein. In einem 230 Volt Niederspannungsstromkreis führt der Einsatz eines Messwiderstandes von z.B. 1 MOhm zu etwa 50 mW Verlusten.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Höhe des Wertes der Messimpedanz derart bemessen, dass bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit und eingeschalteter Messimpedanz (geschlossener Schalter) und geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit die Spannung an den lastseitigen Anschlüssen (bzw. dem mindestens einem lastseitigen Anschluss gegenüber dem anderen Potential) kleiner als eine erste Spannungshöhe ist. Beispielweise kann die erste Spannungshöhe dem Maximalwert der Schutzkleinspannung (50 Volt Wechselspannung Effektivwert) entsprechen bzw. kleiner sein. So wird vorteilhaft die durch einen Leckstrom der elektronischen Unterbrechungseinheit verursachte Spannung an den lastseitigen Anschlüssen verringert bzw. definiert.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schalter ein steuerbarer Schalter. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schalter mit der Steuerungseinheit verbunden, so dass der Schalter durch die Steuerungseinheit ein- und ausgeschaltet werden kann. Beispielsweise kann der Schalter ein Relais, wie ein Reed-Relais, oder ein so genannter Analog-Schalter sein, d.h. ein Schalter, der durch ein Steuersignal geschaltet werden kann (ein/aus), wobei das geschaltete Signal (Messstrom) ein Analog- (oder Digital-)Signal sein kann. Der Schalter kann auch ein elektronischer Schalter sein, wie z.B. ein TRIC, Thyristor, IGBT oder MOSFET.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Steuerungseinheit je nach Zustand der elektronischen Unterbrechungseinheit einen Messstrom erzeugen kann.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass der Schalter bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit eingeschaltet ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit und geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit eine definiertes (niedriges) Potential an den lastseitigen Anschlüssen vorliegt. Das Potential wird durch die Höhe der (zugeschalteten) Messimpedanz bestimmt. Je geringer beispielsweise der Widerstandswert der Messimpedanz ist, desto geringer ist der Potentialunterschied an den lastseitigen Anschlüssen. Der Potentialunterschied wird ferner durch den Leckstrom der elektronischen Unterbrechungseinheit bestimmt. Je geringer der Leckstrom der elektronischen Unterbrechungseinheit, desto geringer der Potentialunterschied / Spannungsabfall über der (zugeschalteten) Messimpedanz.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass der Schalter bei niederohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit ausgeschaltet ist.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei niederohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit und geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit, d.h. üblicherweise bei einem normalen Betriebsfall des Schutzschaltgerätes, in der Regel mit angeschlossenem Verbraucher / Last, die durch die Messimpedanz verursachte Verlustleistung reduziert wird, da die Messimpedanz ausgeschaltet ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet,
    dass der Schalter bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit eingeschaltet ist und bei niederohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit ausgeschaltet ist.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache (grundsätzliche) Implementierung des Schaltverhaltens des Schalters gekoppelt an das Schaltverhalten der elektronischen Unterbrechungseinheit gegeben ist, so dass bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit einerseits ein definiertes Potential an den lastseitigen Anschlüssen und andererseits eine minimierte Verlustleistung erzielt wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet,
    dass bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit und eingeschaltetem Schalter die Höhe des Stromes mittels der Stromsensoreinheit ermittelt wird. Bei Überschreitung eines ersten Stromschwellwertes wird auf eine fehlerhafte elektronische Unterbrechungseinheit geschlossen wird. Bei Überschreitung eines ersten Stromschwellwertes liegt üblicherweise eine fehlende Ausschaltbarkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit vor, d.h. ein hochomhiger Zustand ist nicht mehr gegeben. Beispielsweise sind die halbleiterbasierten Schaltelemente durchlegiert (dauerhaft leitend / kurzgeschlossen). Bei Überschreitung eines ersten Stromschwellwertes, bei der auf eine fehlerhafte elektronische Unterbrechungseinheit geschlossen wird, kann das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet sein, dass die mechanische Trennkontakteinheit nicht geschlossen werden kann oder geöffnet wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass durch die (zuschaltbare) Messimpedanz die elektronische Unterbrechungseinheit geprüft wird, insbesondere dessen hochohmiger Zustand. Bei fehlender bzw. ungenügender Hochohmigkeit können entsprechende Schutzmaßnahmen, wie verhindern des Schließens der Kontakte (falls diese noch nicht geschlossen sind) oder Öffnen der Kontakte, vollzogen werden. Ebenso kann dieser Zustand gemeldet werden.
  • Der erste Stromschwellwert kann im Bereich kleiner 50 mA, sein, vorteilhaft kleiner als 6 mA sein.
  • 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 sowie eingeschaltetem Schalter wird die elektronische Unterbrechungseinheit für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet, ohne das der Schalter ausgeschaltet wird, so dass der Messstrom durch die Messimpedanz fließt, zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes, insbesondere der elektronischen Unterbrechungseinheit.
  • 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 (eingeschaltete) Messimpedanz einen detektierbaren Messstrom zur Funktionsprüfung hervorruft.
  • Die Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes kann:
    • eine Ermittlung der Höhe des Messtromes mittels der Stromsensoreinheit aufweisen, insbesondere das die Höhe des ermittelten Messtromes mit einer Sollmessstromhöhe verglichen wird und bei einer Abweichung von der Sollmessstromhöhe, die außerhalb eines ersten Toleranzbereiches liegt, auf ein fehlerhaftes Schutzschaltgerät geschlossen wird (insbesondere kann auf eine fehlerhafte elektronische Unterbrechungseinheit geschlossen werden; der erste Toleranzbereich kann eine (weitere) Stromgrenze sein;
    • d.h. ist der Strom zu groß, liegt eine fehlerhafte elektronische Unterbrechungseinheit vor;
    • ist der Strom zu klein, könnte die Messimpedanz fehlerhaft sein).
  • Bei einer Abweichung von der Sollmessstromhöhe, die außerhalb eines ersten Toleranzbereiches liegt, kann beispielsweise die mechanische Trennkontakteinheit nicht geschlossen werden oder wird geöffnet,
    oder (/und)
    • eine Ermittlung der Höhe einer Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit aufweisen, insbesondere das die Höhe der ermittelten Spannung mit einer Sollspannungshöhe verglichen wird und bei einer Abweichung von der Sollspannungshöhe, die außerhalb eines zweiten Toleranzbereiches liegt, auf eine fehlerhafte elektronischen Unterbrechungseinheit geschlossen wird, insbesondere, dass die mechanische Trennkontakteinheit nicht geschlossen werden kann oder geöffnet wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Höhe der ermittelten Spannung insbesondere auch mit der Sollspannungshöhe verglichen werden und bei Überschreitung der Sollspannungshöhe wird auf eine fehlerhafte elektronischen Unterbrechungseinheit geschlossen, insbesondere, dass die mechanische Trennkontakteinheit nicht geschlossen werden kann oder geöffnet wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Prüfung auf die Niederohmigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit durchgeführt werden kann, wobei das Vorliegen eines korrekten Messstromes bei Niederohmigkeit überprüft wird.
  • Die Sollmessstromhöhe ist beispielsweise gleich des Wertes der Höhe der aktuell angelegten Netzspannung (Spannung, Niederspannung) geteilt durch den Wert der Höhe der Messimpedanz. Bei z.B. 230 V aktuell angelegter Niederspannung (Effektivwert) und einem Wert der Höhe der Messimpedanz von 10 kOhm ist die Sollmessstromhöhe 23 mA. Der erste Toleranzbereich kann z.B. +/- 10 % (oder +/- 20%) dieses Wertes betragen sein.
  • Die Sollspannungshöhe zur Überprüfung der Niederohmigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit liegt z.B. bei Werten von oder kleiner 1 V, allgemeiner kleiner 2 V. D.h. in der Alternative wird bei Überschreitung dieser Sollspannungshöhe auf eine fehlerhafte Unterbrechungseinheit geschlossen.
  • Der zweite Toleranzbereich kann z.B. +/- 10 % bis +/- 100 % dieses Wertes betragen sein.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass der Messstrom zur Kalibrierung der durch die Stromsensoreinheit ermittelten Höhe des Stromes verwendet wird, insbesondere nachdem eine vor genannte Funktionsprüfung (zumindest teilweise) durchgeführt wurde.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass die (zugeschaltete) Messimpedanz (bekannter Größe und somit bekannten Messstromes) zur Kalibrierung der Stromsensoreinheit verwendet werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes - bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit sowie bei ausgeschaltetem Schalter - der Schalter für einen ersten Zeitbereich in einen geschlossenen Zustand geschaltet wird, so dass ein durch den Messwiderstand hervorgerufener zusätzlicher Strom (= Zusatzstrom) durch die elektronische Unterbrechungseinheit fließt, dessen Höhe (vom zusätzlichen Strom = Zusatzstrom) (mittels der Stromsensoreinheit oder/und Steuerungseinheit) ermittelt wird, mit Zusatzstromwerten verglichen wird und bei Abweichung außerhalb eines dritten Toleranzbereiches eine Zusatzstrom-Fehlerbedingung vorliegt. Ist an den lastseitigen Anschlüssen kein Verbraucher bzw. Last angeschlossen, kann der zugrunde liegende Ausgangsstrom den Wert Null aufweisen. In diesem Fall ist die Höhe des Stromes durch die Höhe des Zusatzstromes bestimmt.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei fehlendem Verbraucher bzw. während des Betriebes des Schutzschaltgerätes die Stromsensoreinheit bzw. die Ermittlung der Höhe des Stromes überprüft werden kann.
  • Der erste Zeitbereich kann im Bereich 10 ms bis 10 s liegen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Schalter dann für den ersten Zeitbereich in einen geschlossenen Zustand geschaltet, wenn die durch die Stromsensoreinheit ermittelte Höhe des Stromes eine erste Stromhöhe unterschreitet. Die erste Stromhöhe kann kleiner 5 A, 1 A oder insbesondere kleiner 0,5 A sein.
  • Damit kann vorteilhaft insbesondere ein fehlerhaftes Schutzschaltgerät, insbesondere eine fehlerhafte Stromsensoreinheit oder Stromerfassung ermittelt werden. So kann bei fehlendem Verbraucher die Stromsensoreinheit bzw. die Ermittlung der Höhe des Stromes überprüft werden.
  • 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 ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und eingeschaltetem Schalter die Höhe der durch die eingeschaltete Messimpedanz festgelegten 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 die mechanische Trennkontakteinheit nicht geschlossen werden kann oder geöffnet 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 ist abhängig von der Höhe der Messimpedanz. Beispielsweise entspricht die Spannung über der (funktionsfähigen) ausgeschalteten (hochohmigen) elektronischen Unterbrechungseinheit der angelegten Netzspannung minus dem Spannungsabfall über der Messimpedanz. Die Spannung an der Messimpedanz ist gleich dem Leckstrom mal der Höhe des Wertes der Messimpedanz. Z.B. ist bei einem Leckstrom vom 0,1 mA und einer Messimpedanz von 20 kOhm der Spannungsabfall 2 V und somit ist der erste Spannungsschwellwert z.B. kleiner 230 V - 2 V = 228 V (bei Effektivwerten).
  • 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 der Schaltung der elektronischen Unterbrechungseinheit für die erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand, ohne dass der Schalter ausgeschaltet wird, 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 die mechanische Trennkontakteinheit nicht geschlossen werden kann oder geöffnet 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 eingeschaltete Messimpedanz ein definiertes Potential bereitgestellt 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.
  • Alternativ bzw. weiterhin kann die mechanische Trennkontakteinheit geöffnet werden.
  • Es können noch weitere Fehlerbedingungen existieren.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass nur ein funktionsfähiges Schutzschaltgerät mit einer funktionsfähigen elektronischen Unterbrechungseinheit einschaltbar ist bzw. bei einem defekten Schutzschaltgerät, was durch die erfindungsgemäße Messimpedanz ermittelbar ist, wird der Niederspannungsstromkreis unterbrochen. 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 Ausgestaltungen 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.
  • Erfindungsgemäß wird eine neue Architektur bzw. konstruktive Ausgestaltung eines Schutzschaltgerätes vorgeschlagen, mit dem eine erhöhte Betriebssicherheit eines Schutzschaltgerätes erzielt bzw. des Niederspannungsstromkreises erzielt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit der Steuerungseinheit verbundene erste Spannungssensoreinheit vorgesehen, 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 oder zusätzlich 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. Insbesondere ist die Stromsensoreinheit zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und mechanischer Trennkontakteinheit vorgesehen, insbesondere dass der durch den eingeschalteten Schalter hervorgerufene Messstrom durch die Stromsensoreinheit erfassbar ist.
  • 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 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 Schutzschaltgerätes 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. Vorteilhaft kann speziell die Messimpedanz an den mit dem netzseitigen Neutralleiteranschluss verbundenen Versorgungsleiter angeschlossen sein.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine kompakte elektronische Baugruppe ermöglicht wird.
  • 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 Niederspannungsstromkreis aufweisend:
    • ein Gehäuse mit netzseitigen Anschlüssen und mindestens 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 den netzseitigen Anschlüssen 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 geschaltet werden kann,
    • 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 geschaltet werden kann,
    • dass die Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises ermittelt wird und bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird,
    • dass im Schutzschaltgerät zwischen Leitern des Niederspannungsstromkreises eine Serienschaltung einer Messimpedanz und eines Schalters derart vorgesehen ist, dass bei geschlossenem Schalter und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit ein Messstrom über die netzseitigen Anschlüsse durch die elektronische Unterbrechungseinheit fließt.
  • Vorteilhafterweise wird der Schalter bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit eingeschaltet und bei niederohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit ausgeschaltet. So kann bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit ein definiertes Potential erzeugt werden und bei niederohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit die Verluste durch die Messimpedanz minimiert werden.
  • Bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit und eingeschaltetem Schalter, insbesondere geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit, kann die Höhe des Stromes mittels der Stromsensoreinheit ermittelt werden, zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes. Bei Überschreitung eines ersten Stromschwellwertes wird auf eine fehlerhafte elektronische Unterbrechungseinheit geschlossen. Infolgedessen kann die mechanische Trennkontakteinheit nicht geschlossen werden oder wird geöffnet.
  • Zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes wird bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit, geschlossenem / eingeschaltetem Schalter 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 des Stromes (Messtromes) oder/und die Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt. Die Höhe des ermittelten Messtromes wird mit einer Sollmessstromhöhe verglichen und bei einer Abweichung von der Sollmessstromhöhe, die außerhalb eines ersten Toleranzbereiches liegt, wird auf ein fehlerhaftes Schutzschaltgerät geschlossen. Die mechanische Trennkontakteinheit kann nicht geschlossen werden oder wird geöffnet.
  • Bei Ermittlung der Höhe einer Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit wird die Höhe der ermittelten Spannung mit einer Sollspannungshöhe verglichen wird und bei einer Abweichung von der Sollspannungshöhe, die außerhalb eines zweiten Toleranzbereiches liegt, auf eine fehlerhafte elektronischen Unterbrechungseinheit geschlossen wird. Die mechanische Trennkontakteinheit kann nicht geschlossen werden oder wird geöffnet.
  • Erfindungsgemäß kann ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt beansprucht werden. Das Computerprogrammprodukt umfasst 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 oder 15, 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 1 zeigt eine Darstellung eines Schutzschaltgerätes SG zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises, insbesondere Niederspannungswechselstromkreis, mit einem Gehäuse GEH, aufweisend:
    • einen netzseitigen Neutralleiteranschluss NG, einem netzseitigen Phasenleiteranschluss LG, einem lastseitigen Neutralleiteranschluss NL, einem lastseitigen Phasenleiteranschluss LL des Niederspannungsstromkreises;
      • an der Netzseite GRID ist üblicherweise eine Energiequelle angeschlossen,
      • an der Lastseite LOAD ist üblicherweise ein Verbraucher angeschlossen;
    • eine (zweipolige) mechanische Trennkontakteinheit MK mit lastseitigen Anschlusspunkten APLL, APNL und netzseitigen Anschlusspunkten APLG, APNG,
      wobei für den Neutralleiter ein lastseitiger Anschlusspunkt APNL, für den Phasenleiter ein lastseitiger Anschlusspunkt APLL, für den Neutralleiter ein netzseitiger Anschlusspunkt APNG, für den Phasenleiter ein netzseitiger Anschlusspunkt APLG vorgesehen ist. Die lastseitigen Anschlusspunkte APNL, APLL sind mit den lastseitigen Neutral- und Phasenleiteranschlüssen NL, LL verbunden, so dass ein 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 Serienschaltung einer Messimpedanz ZM und eines Schalters Smeas derart vorgesehen ist, dass bei geschlossenem Schalter Smeas und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit EU ein Messstrom über die netzseitigen Anschlüsse LG, NG durch die elektronische Unterbrechungseinheit EU fließt. Gemäß Figur 1 fließt bei geschlossenem Schalter Smeas und geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit MK und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit EU ein Messstrom über die netzseitigen Anschlüsse LG, NG durch die elektronische Unterbrechungseinheit EU.
  • Gemäß Figur 1 ist zwischen den netzseitigen Anschlusspunkten APLG, APNG der mechanischen Trennkontakteinheit MK die Serienschaltung der Messimpedanz ZM und des Schalters Smeas geschaltet. Die Serienschaltung der Messimpedanz ZM und des Schalters Smeas ist einerseits mit der Verbindung (Phasenleiter) zwischen mechanischer Trennkontakteinheit MK (APLG) und elektronischer Unterbrechungseinheit EU (EUL) verbunden. Die Serienschaltung der Messimpedanz ZM und des Schalters Smeas ist anderseits mit dem anderen Leiter (Neutralleiter) am netzseitigen Anschluss (NG) verbunden.
  • 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 zugeschaltete (=eingeschaltete) Messimpedanz wird ein definiertes Potential im Schutzschaltgerät erzeugt, insbesondere ein definiertes Spannungspotential über der elektronischen Unterbrechungseinheit EU, konkret am lastseitigen Verbindungspunkt EUL.
  • Ferner kann ein definierter Messstrom im Schutzschaltgerät, insbesondere bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit MK erzeugt werden.
  • Ferner kann ein zusätzlicher Strom durch die zugeschaltete Messimpedanz erzeugt werden, ohne dass ein angeschlossener Verbraucher / Last davon beeinflusst wird.
  • Sowohl der Messstrom (bzw. zusätzliche (Mess-)Strom) 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 hohen Wert (Widerstands- oder Impedanzwert) haben, um die Verluste gering zu halten.
  • Allerdings können durch die Erfindung auch mittlere und kleinere Werte (Widerstands- oder Impedanzwerte) verwendet werden.
  • Beispielsweise kann der Widerstandswert kleiner als 1 MOhm, 500 kOhm, 100 kOhm, 50 kOhm, 10 kOhm, 5 kOhm, 1 kOhm, 500 Ohm oder 100 Ohm sein.
  • Durch den Schalter bzw. zuschaltbare Messimpedanz können die Verluste reduziert werden, da (größere) Verluste nur auftreten würden, wenn die Messimpedanz eingeschaltet ist und die elektronische Unterbrechungseinheit einen niederohmigen Zustand aufweist.
  • Der Schalter Smeas ist steuerbar, d.h. elektrisch ein- und ausschaltbar. Der Schalter ist im Beispiel mit der Steuerungseinheit SE verbunden, so dass er ein- und ausgeschaltet werden kann. Beispielsweise kann der Schalter Smeas durch ein Steuersignal Control Smeas ein bzw. ausgeschaltet (on / off) werden, was durch einen Pfeil von der Steuerungseinheit SE zum Schalter Smeas angedeutet ist ("Control Smeas" mit "(on/off)") (Figur 2). Das Schutzschaltgerät ist derart ausgestaltet,
    dass der Schalter (Smeas) bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) eingeschaltet ist, und insbesondere, dass der Schalter (Smeas) bei niederohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) ausgeschaltet ist. So können die Verluste durch die Messimpedanz, auch bei niedrigen Werten, verringert werden.
  • 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 mit "b.) open" von der Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakte Einheit MK angedeutet ist (Figur 2).
  • 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 mit "a.) enable" von der Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakte Einheit MK angedeutet (Figur 2). 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"). Hierfür kann eine weitere Freigabeeinheit LC vorgesehen sein (Figur 2).
  • 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.
  • Vorteilhaft kann eine dreipolige Elektronikeinheit EPART (Figur 2) realisiert werden, beispielsweise als Modul, die drei Anschlusspunkte aufweist, einen Neutralleiteranschlusspunkt und zwei Phasenleiteranschlusspunkte. Die Elektronikeinheit EPART weist beispielsweise die elektronische Unterbrechungseinheit EU, die Steuerungseinheit SE, die Energieversorgung NT (insbesondere inklusive Sicherung SS), die Stromsensoreinheit SI, die erste Spannungssensoreinheit SU1, optional die zweite Spannungssensoreinheit SU2 auf sowie die Serienschaltung aus (elektrisch schaltbarem) Schalter Smeas und Messimpedanz ZM auf.
  • 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 das Schutzschaltgerät im Wesentlichen zweiteilig aufgebaut ist, mit einem ersten (dreipoligen) Teil / Elektronikeinheit EPART und einem zweiten mechanischen Teil / mechanische Einheit MPART. Der elektronische ersten Teil EPART kann beispielsweise auf einer Leiterplatte / Printed Circuit Board angeordnet sein und enthält die oben genannten bzw. dargestellten Einheiten.
  • 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.
  • Der zweite Teil MPART kann die mechanische Trennkontakteinheit MK, die Handhabe HH, eine Freigabeeinheit LC aufweisen. Ferner kann der zweite Teil eine Positionseinheit POS (nicht dargestellt), 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.
  • Das Schutzschaltgerät kann ferner eine Kommunikationseinheit COM, eine Anzeigeeinheit DISP, eine Eingabeeinheit EE aufweisen. Diese können der Steuerungseinheit SE zugeordnet sein oder mit dieser verbunden sein, wie in Figur 2 angedeutet.
  • 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.
  • Im Folgenden wird die Erfindung für das Schutzschaltgerät SG weiter mit anderen Worten beschrieben.
  • Zur Funktionsprüfung der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ist eine Strommessung oder/und Spannungsmessung über der elektronischen Unterbrechungseinheit EU vorgesehen. Ist die elektronische Unterbrechungseinheit EU im hochohmigen Zustand, dann ist das Potential zwischen der elektronischen Unterbrechungseinheit EU (EUL) und der mechanischen Trennkontakteinheit MK (APLG) bei geöffneten Kontakten unbestimmt bzw. es wird bei geschlossenen Kontakten von der angeschlossenen Last / Verbraucher mitbestimmt. Erfindungsgemäß wird eine Messimpedanz zwischen diesem Punkt und dem anderen Leiter / Neutralleiter im Schutzschaltgerät vorgesehen. Damit wird das elektrische Potential an diesem Punkt (mit) festlegt. Die Auslegung der Messimpedanz ist problematisch, da für eine genaue Messung der Wert der Messimpedanz (Bsp. Widerstand) einerseits möglichst klein (im Vergleich zum Widerstand der elektronischen Unterbrechungseinheit EU im hochohmigen Zustand) sein sollte. Andererseits ist die Messimpedanz zwischen den beiden Leitern / Phasenleiter und Neutralleiter angeordnet / geschaltet, wodurch dauerhaft Verluste entstehen, sodass der Wert der Messimpedanz möglichst groß sein sollte. Um beidem gerecht zu werden, muss bei der Auslegung ein Kompromiss getroffen werden.
  • Zudem besteht das Problem, dass ein kleiner Ableitstrom (Leckstrom) durch die elektronische Unterbrechungseinheit EU fließt, wenn diese sich im hochohmigen Zustand befindet.
  • Je nach angeschlossener Last / Verbraucher kann über diesen Ableitstrom die Last mit sehr geringer Energie versorgt werden. Insbesondere bei Lasten, die nur eine sehr kleine Energie benötigen (z. B. LEDs), kann dies zur Energieversorgung dieser Lasten führen, was nicht erwünscht ist.
  • Erfindungsgemäß wird eine Serienschaltung eines (elektrisch) schaltbaren Schalters Smeas und einer Messimpedanz vorgeschlagen, wie beispielsweise ein einschaltbarer Messwiderstand im Schutzschaltgerät. Messimpedanz ZM ist über den z.B. (Halbleiter-)Schalter Smeas ein- bzw. ausschaltbar.
  • Befindet sich die elektronische Unterbrechungseinheit EU im hochohmigen (ausgeschalteten) Zustand (Gerätezustand: Standby), kann die Messimpedanz eingeschaltet (Schalter Smeas ein bzw. geschlossen) werden, um das Potential am lastseitigen Verbindungspunkt bzw. Anschlusspunkt EUL der elektronischen Unterbrechungseinheit EU festzulegen und eine elektrisch leitende Verbindung von diesem Punkt zum netzseitigen Neutralleiteranschluss zu realisieren. Die Messimpedanz bildet dann zusammen mit der hochohmigen/ausgeschalteten elektronischen Unterbrechungseinheit EU einen hochohmigen Spannungsteiler. Der Spannungsteiler ist dabei so dimensioniert, dass der größere Teil der Netzspannung über der ausgeschalteten/hochohmigen elektronischen Unterbrechungseinheit abfällt. Über der Messimpedanz kann vorteilhaft ein Wert der Schutzkleinspannung, d.h. maximal 50 Volt abfallen.
  • D.h. der Spannungsteiler ist so dimensioniert, dass ein maximaler Spannungswert, von z.B. 50 Volt Wechselspannung (Effektivwert), über dem eingeschalteten Messwiderstand abfällt (in einem 230 Volt Niederspannungsstromkreis).
  • Eine Spannungsmessung über der elektronischen Unterbrechungseinheit EU kann genutzt werden um die Funktionsfähigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit EU zu prüfen bzw. zu überwachen.
  • Vorteilhaft wird durch die eingeschaltete Messimpedanz ein stets vorhandener Leckstrom, z. B. verursacht durch vorhandene (parasitäre) Kapazitäten in der elektronischen Unterbrechungseinheit EU gegen den netzseitigen Neutralleiteranschluss abgeleitet. Dieser Leckstrom ist üblicherweise kleiner als 1 mA, kann jedoch zu einem ungewollten Energiefluss zur Last führen, der so vermieden wird.
  • Die Dimensionierung/Auslegung der Messimpedanz sollte anhand der folgenden Punkte durchgeführt werden.
  • Die Messimpedanz bildet zusammen mit der ausgeschalteten elektronischen Unterbrechungseinheit EU einen hochohmigen Spannungsteiler. Dieser Spannungsteiler sollte so dimensioniert werden, dass der Spannungsabfall über der Messimpedanz kleiner der Schutzkleinspannung (50 Vac) ist, da diese Spannung an den lastseitigen Anschlüssen LL, NL ansteht. Z. B kann die Messimpedanz 10 % der Impedanz der ausgeschalteten elektronischen Unterbrechungseinheit sein. Liegt diese z. B. bei 2 MOhm sollte der Wert der Messimpedanz ZM kleiner 200 kOhm sein. An den lastseitigen Anschlüssen LL, NL kann dann maximal 23 Vac auftreten.
  • Die Messimpedanz ZM schützt den Schalter Smeas vor Überspannungen (z.B. Surges). Im eingeschalteten Zustand und bei geschlossenen Kontakten liegt der Schalter Smeas und die Messimpedanz ZM zwischen Phasenleiter und Neutralleiter. Dies führt dazu, dass bei Netzüberspannungen (z. B. ausgelöst durch Surge-Events) der Schalter Smeas belastet würde. Die Messimpedanz ZM schützt in diesem Fall den Schalter Smeas vor einer Zerstörung, da dieser einen größeren Vorwiderstand darstellt und somit einem höheren Impulssstrom im Gerät verhindert.
  • Des Weiteren kann die Messimpedanz ZM so dimensioniert sein, dass das Schutzschaltgerät vor einer thermischen Zerstörung im Fall eines defekten Schalters Smeas geschützt wird. Der Strom, der in diesem Fall über die Messimpedanz fließen würde, wird durch die Messimpedanz auf einen maximalen Wert, z.B. von einigen 10 mA begrenzt.
  • Neben dem Nutzen zur Funktionsprüfung des elektronischen Schalters und der Ableitung eines Leck-Stromes ist eine weitere Funktion der einschaltbaren Messimpedanz denkbar. Die einschaltbare Messimpedanz kann bei einer entsprechenden Dimensionierung bzw. Auslegung zur Überprüfung und ggfs. Kalibrierung der enthaltenen Strommessung genutzt werden. Die Steuerungseinheit SE schaltet die elektronische Unterbrechungseinheit EU und den Schalter Smeas ein, sodass (insbesondere bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit MK) ein Messstrom imeas (Figur 2) fließt, der durch die Stromsensoreinheit SI erfasst wird. Je nach Dimensionierung der Messimpedanz kann dieser im Bereich von einigen mA oder einigen 10 mA liegen, sodass hiermit die Strommessung (Stromsensoreinheit SI und Steuerungseinheit SE) auf eine entsprechende Funktionsfähigkeit überprüft werden kann. Nach der Funktionsprüfung wird die elektronische Unterbrechungseinheit EU wieder hochohmig geschaltet. Die Messung dauert nur wenige ms, z.B. 10ms, 20ms, oder ein (weiteres) Vielfaches der halben Netzperiodendauer.
  • Die Prüfung und ggfs. Kalibrierung kann vorteilhaft vor der Freigabe des Schließens der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit mittels der Handhabe erfolgen. Sodass die Funktionsprüfung bzw. Kalibrierung der Strommessung vor der Freigabe: Einschaltbarkeit der Trennkontakte - durchgeführt wird. Des Weiteren kann die Messung (bei entsprechender Dimensionierung) auch bei geschlossenen Kontakten und niederohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit EU erfolgen, indem kurzzeitig der Schalter Smeas geschlossen wird und ein zusätzlicher (Mess-)Strom durch die Messimpedanz im Stromkreis erzeugt wird. Der zusätzliche Messstrom imeas wird dann über die Stromsensoreinheit erfasst, durch die Steuerungseinheit ausgewertet werden (Algorithmus), um insbesondere vom normalen Laststrom unterschieden werden zu können.
  • Die Erfindung weist die folgenden Vorteile auf:
    1. 1.) Durch geringere Widerstandswerte genauere Spannungsmessung über der elektronischen Unterbrechungseinheit EU zur Funktionsprüfung der elektronischen Unterbrechungseinheit EU.
    2. 2.) Reduzierte Verluste im Gerät, da die Messimpedanz im niederohmigen Zustand der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ausgeschaltet werden kann.
    3. 3.) Ableitung von Leckströmen der elektronischer Unterbrechungseinheit EU im hochohmigen Zustand der elektronischen Unterbrechungseinheit EU.
    4. 4.) Möglichkeit zur Überprüfung und Kalibrierung der Strommessung
    5. 5.) Berührspannung an den lastseitigen Anschlüssen im hochohmigen Zustand der elektronischen Unterbrechungseinheit EU wird begrenzt wird begrenzt.
  • Vorgeschlagen wird ferner ein Computerprogrammprodukt bzw. Algorithmus, der die elektronische Unterbrechungseinheit EU bzw. den Schalter Smeas 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.
  • 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 (16)

  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 Niederspannungsstromkreis schaltbar ist,
    - dass die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist,
    - einer Stromsensoreinheit (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 Serienschaltung einer Messimpedanz (ZM) und eines Schalters (Smeas) derart vorgesehen ist, dass bei geschlossenem Schalter (Smeas) 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 bei geschlossenem Schalter (Smeas) und geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) ein Messstrom über die netzseitigen Anschlüsse durch die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) fließt.
  3. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Serienschaltung der Messimpedanz (ZM) und des Schalters (Smeas) einerseits mit der Verbindung zwischen mechanischer Trennkontakteinheit (MK) und elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) verbunden ist.
  4. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Serienschaltung der Messimpedanz (ZM) und des Schalters (Smeas) anderseits mit dem anderen Leiter am netzseitigen Anschluss verbunden ist.
  5. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Messimpedanz ein elektrischer Widerstand oder/und Kondensator ist.
  6. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Messimpedanz eine Serienschaltung oder Parallelschaltung eines elektrischen Widerstandes und Kondensators ist.
  7. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Messimpedanz einen hohen Widerstands- oder Impedanzwert aufweist, insbesondere dass der Widerstandswert kleiner als 1 MOhm, 500 kOhm, 100 kOhm, 50 kOhm, 10 kOhm, 5 kOhm, 1 kOhm, 500 Ohm oder 100 Ohm ist.
  8. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schalter mit der Steuerungseinheit verbunden ist, so dass der Schalter durch die Steuerungseinheit ein- und ausgeschaltet werden kann;
    dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist,
    dass der Schalter (Smeas) bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) eingeschaltet ist,
    insbesondere, dass der Schalter (Smeas) bei niederohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) ausgeschaltet ist.
  9. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist,
    dass bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) und eingeschaltetem Schalter (Smeas) die Höhe des Stromes mittels der Stromsensoreinheit ermittelt wird,
    dass bei Überschreitung eines ersten Stromschwellwertes auf eine fehlerhafte elektronische Unterbrechungseinheit geschlossen wird, insbesondere, dass die mechanische Trennkontakteinheit nicht geschlossen werden kann oder geöffnet wird.
  10. 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) sowie eingeschaltetem Schalter (Smeas) die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird, ohne das der Schalter (Smeas) ausgeschaltet wird, so dass der Messstrom durch die Messimpedanz fließt, zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes, insbesondere der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) .
  11. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes:
    - eine Ermittlung der Höhe des Messtromes mittels der Stromsensoreinheit aufweist, insbesondere das die Höhe des ermittelten Messtromes mit einer Sollmessstromhöhe verglichen wird und bei einer Abweichung von der Sollmessstromhöhe, die außerhalb eines ersten Toleranzbereiches liegt, auf ein fehlerhaftes Schutzschaltgerät geschlossen wird, insbesondere, dass die mechanische Trennkontakteinheit nicht geschlossen werden kann oder geöffnet wird,
    oder
    - eine Ermittlung der Höhe einer Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit aufweist, insbesondere das die Höhe der ermittelten Spannung mit einer Sollspannungshöhe verglichen wird und bei einer Abweichung von der Sollspannungshöhe, die außerhalb eines zweiten Toleranzbereiches liegt, auf eine fehlerhafte elektronischen Unterbrechungseinheit geschlossen wird, insbesondere, dass die mechanische Trennkontakteinheit nicht geschlossen werden kann oder geöffnet wird.
  12. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Messstrom zur Kalibrierung der durch die Stromsensoreinheit ermittelten Höhe des Stromes verwendet wird, insbesondere nachdem eine Funktionsprüfung gemäß Patentanspruch 11 durchgeführt wurde.
  13. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist, dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) sowie bei ausgeschaltetem Schalter (Smeas) der Schalter (Smeas) für eine erste Zeitbereich in einen geschlossenen Zustand geschaltet wird, so dass ein durch die Messimpedanz hervorgerufener zusätzlicher Strom durch die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) fließt, dessen Höhe ermittelt wird, mit Zusatzstromwerten verglichen wird und bei Abweichung außerhalb eines dritten Toleranzbereiches eine Zusatzstrom-Fehlerbedingung vorliegt.
  14. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schalter (Smeas) für den ersten Zeitbereich dann in einen geschlossenen Zustand geschaltet wird, wenn die durch die Stromsensoreinheit ermittelte Höhe des Stromes eine erste Stromhöhe unterschreitet,
    um insbesondere ein fehlerhaftes Schutzschaltgerät, insbesondere eine fehlerhafte Stromsensoreinheit oder Stromerfassung zu ermitteln.
  15. Verfahren für ein Schutzschaltgerät 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 Niederspannungsstromkreis geschaltet werden kann,
    - 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 geschaltet werden kann,
    - dass die Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises ermittelt wird und bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird,
    - dass im Schutzschaltgerät zwischen Leitern des Niederspannungsstromkreises eine Serienschaltung einer Messimpedanz (ZM) und eines Schalters (Smeas) derart vorgesehen ist, dass bei geschlossenem Schalter (Smeas) und niederohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) ein Messstrom über die netzseitigen Anschlüsse durch die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) fließt.
  16. Verfahren nach Patentanspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schalter (Smeas) bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) eingeschaltet wird und bei niederohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) ausgeschaltet wird.
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