WO2009109424A1 - Schutzschaltgerät zum überwachen des elektrischen stromflusses zu einem elektrischen verbraucher bzw. verfahren zur überwachung des elektrischen stromflusses zu einem elektrischen verbraucher durch ein schutzschaltgerät - Google Patents

Schutzschaltgerät zum überwachen des elektrischen stromflusses zu einem elektrischen verbraucher bzw. verfahren zur überwachung des elektrischen stromflusses zu einem elektrischen verbraucher durch ein schutzschaltgerät Download PDF

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WO2009109424A1
WO2009109424A1 PCT/EP2009/050909 EP2009050909W WO2009109424A1 WO 2009109424 A1 WO2009109424 A1 WO 2009109424A1 EP 2009050909 W EP2009050909 W EP 2009050909W WO 2009109424 A1 WO2009109424 A1 WO 2009109424A1
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current
microcontroller
measuring
measuring device
input signal
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PCT/EP2009/050909
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Dirk Graupner
Reinhard Schmid
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/093—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current with timing means
    • H02H3/0935—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current with timing means the timing being determined by numerical means

Definitions

  • Protective switching device for monitoring the electrical current flow to an electrical consumer or method for monitoring the flow of electrical current to an electrical load by a protective switching device
  • the present invention relates to a protective switching device for monitoring the electrical current flow to an electrical consumer see, comprising a switching functionality, an overcurrent tripping functionality and a Kurzrölström- functionality, comprising a first microcontroller with a first input signal filter. Furthermore, the invention relates to a method for monitoring the flow of electrical current to an electrical load by a protective switching device.
  • Protective switching devices for monitoring the electrical current flow to an electrical load are, for example, multi-function low-voltage switchgear in the sense of the standard EN 60947-6-2 and circuit breaker with electronic overcurrent protection in the sense of the standard EN 60947-2. These are tuned to a so-called setting current (I E ). This should correspond to the rated current (I N ) of the electrical consumers. If the actual flowing current exceeds the setting current, a trip signal is issued depending on the duration and the current that has flowed. In the event of such an overload, the protective switching devices disconnect the downstream load from the supply or forward the event to a higher-level point. The determination of the limit values of the signal is generally defined via a tripping characteristic, see FIG. 1.
  • a protective device can also be understood as an overcurrent protection device and is normatively referred to as "dependent delayed overcurrent release" according to the standards EN 60947-6-2 (chapter 5.7.1.3.2) and EN 60947-1 (chapter 2.4.24). This dependent delayed overcurrent release is generally used to protect consumers of electrical energy from thermal damage.
  • a second region III of the characteristic curve according to FIG. 1 is used.
  • the protective device then works as short-circuit protection and is normatively referred to as "instantaneous short-circuit release" according to standards EN 60947-6-2 (chapter 5.7.1.3.1) and EN 60947-1 (chapter 2.4.26).
  • a third area II may be defined in electronic protection devices due to the need for self-protection, see Fig. 1.
  • This can either as “independently delayed short-circuit release” according to the standard EN 60947-6-2 (chap 5.7.1.3.2) or as “independently delayed overload release” according to the standard EN 60947-6-2 (chapter 5.7.1.3.1) or to the standards EN 60947-1 (chapter 2.4.26) resp. EN 60947-1 (chapter 2.4.24).
  • microcontrollers are used in novel electronic devices, there are numerous advantages.
  • firmware versions can be used to implement different types of devices within a related family, without the hardware depth of vertical integration becoming too large.
  • Numerous special functions can be integrated cost-effectively with the help of the controllers, the circuit-breakers can be set up more easily and react more accurately to the measured parameters.
  • the dependent delayed overcurrent release also referred to as overload release
  • the overload release must be able to process a corresponding I 2 t tripping limit according to the characteristic curve according to FIG. 1.
  • the overload trigger After triggering the overload release, it can be activated after the reclosing standby time has elapsed.
  • the overload trigger must detect and evaluate current-time dependencies and periods of time. In this case, even brief interim shutdowns must take into account the thermal preloads of the consumer.
  • the advantage of this function can be seen in the relatively high time supply, ie the overload triggering is not time-critical.
  • the short-circuit release must be i.d.R. do not capture power-time dependencies and time periods. Short circuits with very low residual impedances, so-called hard shorts, must be detected and evaluated as quickly as possible. In this case, the consumer must be disconnected from the grid as quickly as possible in order to avoid consequential damage and to protect the trigger itself, so-called self-protection. Normally, the respective rated breaking capacity of the protective switching devices is used, which must withstand the sometimes very short high energy densities. The resulting arc is destroyed in the arc extinguishing chambers.
  • the bimetal may also be heated by indirect heating of adjacent conductors. Due to the different thermal expansion coefficients of the materials in the bimetal this bends through and provides a message for further processing or triggers a corresponding event.
  • Novel devices work electronically with the help of a microcontroller.
  • the signal profiles of the currents of the consumer or the voltage waveforms are sampled digitally.
  • This time-quantized signal is stored in discrete values.
  • an analog-to-digital conversion This makes it possible to reproduce the signal curves more accurately and to store different characteristics or characteristics in the devices. From the different requirements of Short-circuit tripping and overload tripping result in different processing algorithms. Thus, the requirements for the corresponding microprocessor are correspondingly high. Also conceivable are hybrid forms, in which one function is realized classically and the other electronically.
  • Object of the present invention is to provide a circuit breaker and a method for electronic function splitting in case of overloads and short circuits in a protective switching device that works quickly and easily and is inexpensive to implement.
  • the protective switching device or the method should reduce the load on the microcontroller used.
  • the short-circuit detection should be designed for safer and faster triggering.
  • a protective switching device for monitoring the electrical current flow to an electrical load comprising a switching functionality, an overcurrent tripping functionality and a short-circuit tripping functionality, comprising a first microcontroller having a first input signal filter, wherein the first microcontroller is designed to monitor overcurrent tripping functionality is, and in which a second microcontroller is provided with a second input signal filter, which is designed for monitoring the Kurz practitionerauslö- sefunktionlois Che, wherein the two input signal filters are designed differently, and wherein the Switching functionality is provided in one of the two microcontroller, solved.
  • the core of the invention lies in the fact that the protective switching device has two simple microcontrollers, in particular with a multi-stepped short circuit detection, instead of a more complex microcontroller.
  • the protective switching device can respond better and more precisely to the different requirements of short-circuit tripping and overload tripping. That is, a microcontroller is responsible for the short-circuit release and a microcontroller for the overload trip.
  • the two microcontrollers can each be made small, inexpensive and fast. The use of two inexpensive, faster and smaller microcontrollers does not necessarily create an economic disadvantage compared to a larger microcontroller.
  • the price of a microcontroller is determined primarily by the required program memory, usually a flash memory, and by the size of the case.
  • the required program memory is divided accordingly in the solution with two microcontrollers.
  • the complex microcontroller operates slowly, because he review both scenarios, short circuit and overload got to. This takes time.
  • the fastest possible short-circuit detection requires input signal filters whose low-pass character is not designed too strong in order to minimize steep edges in the rise as little as possible.
  • each microcontroller can be assigned its own special input signal filter. This also does not have to be an economic disadvantage, since the two individual, special input signal filters can in themselves be designed to be simpler than a single complex input signal filter, which has to cover both the overload detection and the short circuit detection.
  • the first microcontroller with the first input signal filter is used to monitor the overload current
  • the second microcontroller with the second input signal filter is used to monitor a short circuit.
  • the second input signal filter of the second microcontroller is preferably designed for the fastest possible short-circuit detection, i. the low-pass character of the second input signal filter is weakly designed to minimize steep slopes in the rise as little as possible.
  • the first input signal filter of the first microcontroller is preferably designed for overload detection. That is, the first input signal filter can better attenuate noise and better filter out fast transients and harmonics. Therefore, the low-pass character of the first input signal filter of the first microcontroller is preferably significantly higher than the low-pass character of the second input signal filter of the second microcontroller.
  • the two microcontrollers and correspondingly the two input signal filters work completely independently of each other.
  • the switching functionality for operational switching of the protective switching device can be optionally integrated in one of the two microcontroller.
  • the switching functionality for the operational switching of the protective switching device is preferably integrated in the first microcontroller, which is responsible for the overcurrent tripping. That is, advantageously, the first microcontroller has the switching functionality and the overcurrent tripping functionality.
  • the second microcontroller has a comparator and at least two measuring devices and comparator units connected downstream of the comparator, arranged one after the other, for measuring the
  • the measuring devices each have a measuring algorithm by means of which the voltages which have occurred can be measured.
  • the comparator samples the value of the input signal, i. the resulting current or the voltage incurred very quickly, i. the comparator hits very fast. In this way, when a short circuit occurs, the power connection from a supply to a consumer can be disconnected very quickly.
  • the input signal in particular the voltage
  • the comparator is compared by the comparator with a reference voltage. Depending on whether the voltage is greater or less than the reference voltage, the comparator reacts differently. If the comparator determines that the input voltage is above a certain input voltage, it triggers a signal which has a so-called comparator interrupt on the software side, so that an interrupt routine is interposed. In this existing measuring devices or measuring algorithms in the microcontroller can be used to measure the voltage that has occurred.
  • a short-circuit algorithm is triggered by the comparator interrupt, since the comparator reacts very quickly.
  • the comparator interrupt is triggered from 13 times the value of the rated current (I N ). From which value the comparator interrupt is triggered can also be individualized.
  • the short-circuit algorithm now points to the corresponding phase and a first measuring device or a first measuring algorithm measures the current. If the first measuring device determines that the determined current intensity is above a first reference current intensity, which is set relatively high, the first measuring device or the first measuring algorithm sets a signal for generating a triggering signal. The first measuring device operates relatively quickly to determine whether the current has exceeded a high value, ie the first reference current has exceeded.
  • the existing in the controller first measuring device can be overclocked.
  • the first reference current is 52 times the rated current.
  • the first measuring device or the first measuring algorithm determines that the current intensity has not exceeded the value of the first reference current intensity
  • the first measuring device or the first measuring algorithm sends the second measuring device a signal, so that the second measuring device or the second measuring device Measuring algorithm again measures the current and compares with a second reference current, which is lower than the first reference current. If the second measuring device or the second measuring algorithm determines that the measured current exceeds the second reference current, the second measuring device or the second measuring algorithm sets a signal for generating a triggering signal. If the second measuring device or the second measuring algorithm determines that the measured current intensity does not exceed the second reference current intensity, the second measuring device does not emit any signal, in particular no triggering signal.
  • the purpose of the nested measuring devices or of the nested measuring algorithms and of the comparator insertion when determining the current strengths is that when a very high current, ie a short-circuit current, occurs, a signal for triggering or disconnecting the current connection very quickly. is witnessed.
  • the first measuring device or the first measuring algorithm checks the current that has occurred very quickly, but also roughly. However, if it is determined by the first measuring device or the first measuring algorithm that the determined current is very high, ie above the first reference current intensity, the first measuring device triggers directly the triggering signal, since the current flow should be interrupted as quickly as possible. If the current strength is below the first high reference current intensity, the current intensity is again measured more accurately by the second measuring device or the second measuring algorithm.
  • the second measuring device Due to the lower current during the measurement in the second measuring device, more time is available for the measurement.
  • the second measuring device measures slower and therefore more accurate. By this nested measurement can be ensured that the second microcontroller triggers only when this is really necessary.
  • Such a protective switching device disconnects the power connection only when a current has actually occurred which is above a second reference current strength. Therefore, the second measuring device or the second measuring algorithm preferably has a higher resolution than the upstream first measuring device or the upstream first measuring algorithm. If the current has fallen below the second reference current, it can be returned to its original state.
  • the second microcontroller checks very quickly whether there is a short circuit.
  • the nested measurement allows the second microcontroller to quickly and accurately determine if there is a short circuit. Since the measurement is not as time-critical in the event of an overload as in the case of a short circuit, the first microcontroller can check exactly how far an overload has occurred.
  • the signal-to-noise ratio is increased and the availability of the protected system is ensured.
  • the secured system or the secured consumer is safely separated from the network by the separate short circuit measurement, when a very high current occurs, but at the same time allows the second microcontroller that no unnecessary shutdown takes place, if it is determined that the occurred current or the voltage measurement at the measuring equipment only by Disturbances or couplings came about.
  • a protective switching device in which the first and the second measuring device each have analog-to-digital converters.
  • the analog-to-digital conversion is the most time-consuming in the microcontroller. That an analog-to-digital converter operates in a microcontroller i. d. R. with the method of successive approximation and is relatively slow. If the resolution is omitted, it is possible, the analog-to-digital converter, here the first measuring device, to operate quickly, so to speak overclock. Since very high currents, i. very hard shorts, provide values representing the triggering threshold, i. the first reference current intensity, extremely exceed, can be dispensed in this case in favor of the thus shorter possible measurement time on a high resolution. If the readings are below a certain threshold, i. the first reference current, there is a less hard short circuit, so must be measured again with higher accuracy by the second measuring device. In this case, but also a little more time available.
  • the resolution of the first measuring device or of the first measuring algorithm is lower than the resolution of the second measuring device or of the second measuring algorithm.
  • the resolutions have a variety of values.
  • a protective switching device is preferred in which 6- to 8-bit resolution is used in the analog-to-digital conversion in the first measuring algorithm and 9 to 10-bit resolution in the second measuring algorithm.
  • the accuracy of the analog-to-digital converter thus depends on the number of working cycles, the so-called bit resolution.
  • An analog-to-digital conversion using 8-bit resolution is faster than an analog-to-digital conversion using 10-bit resolution.
  • a protective switching device is preferred in which the low-pass character of the first input signal filter of the first microcontroller is designed to be higher than the low-pass character of the second input signal filter of the second microcontroller. This allows the second microcontroller to operate when a high current, i. a short circuit that measures current quickly, while the first microcontroller can slowly and safely measure any overload that may have occurred.
  • the protective switching device can be, for example, a multi-function low-voltage switching device or a circuit breaker with electronic overcurrent protection.
  • multi-functional low-voltage switchgear within the meaning of the standard EN 60947-6-2 and circuit breaker with electronic overcurrent protection within the meaning of the standard EN 60947-2 are particularly preferably designed in this way.
  • Such protective switching devices reliably protect a downstream system or a downstream consumer.
  • the object is achieved by a method for monitoring the electrical current flow to an electrical consumer by means of a protective switching device in which a first input signal filter of a first microcontroller monitors the signal flow of the current flow or voltage and the first microcontroller in the event of a fault. Position of an overload generates an error signal and / or a trigger signal, and in which a second input signal filter of a second microcontroller monitors the waveform of the current or voltage and the second micro- rocontroller generates a trigger signal upon detection of a short circuit, the two input signal filters designed differently and wherein the current flow is interrupted after the generation of a trigger signal.
  • Such a method of monitoring the flow of electrical current to an electrical load through a circuit breaker allows electronic function splitting in case of overloads and short circuits.
  • the protective switching device or the method reduces the load on the microcontroller used.
  • the second microcontroller is responsible for the short-circuit tripping and the first microcontroller for the overload tripping.
  • the second microcontroller can very quickly determine if there is a short circuit. This is specially designed for this purpose. That is, the input signal filter of the second microcontroller can respond very quickly to high currents.
  • the first input signal filter of the first microcontroller can better detect overload cases.
  • the second microcontroller uses a comparator, wherein the comparator tor the waveform of the current flow or the voltage waveform monitors, and in which when exceeding a certain input current level or input voltage, a first, the comparator downstream, the measuring device Current strength and a first comparison unit compares this with a first reference current strength, and in which the first measuring device determines upon detection that the measured current exceeds the first reference current, a signal for generating a trigger signal, or in the case that the detected current strength determines the first reference current does not exceed, the first measuring device abuts a downstream »second measuring device, so that the second measuring device measures the current again and a second comparison unit compares this with a second reference current, wherein upon determination that the measured current exceeds the second reference current, the second measuring device provides a signal for generating a triggering signal or, upon determining that the measured current strength does not exceed the second reference current level, the second measuring device does not provide a signal for generating a triggering signal.
  • the comparator quickly detects that there is high current. For this purpose, the comparator constantly compares the value of the input signal. If a high current is present, the comparator responds very quickly.
  • the input signal in particular the voltage, is compared by the comparator with a reference voltage. If the comparator detects that the input voltage is above a certain voltage level, it triggers an interrupt interrupt, the so-called comparator interrupt.
  • the subordinate first measuring device or the subordinate first measuring algorithm measures the voltage that has occurred.
  • the comparator interrupt triggers, for example, from 13 times the value of the rated current (I N ).
  • the algorithm now points to the appropriate phase of the three-phase current, for example in a three-phase network, and the first measuring algorithm measures the current.
  • the basic algorithm has a loop which allows the DC components of all phases, in the case of a three-phase network, to be sampled three times, one after the other by the comparator and thus the short circuit detection. This allows a common evaluation.
  • the first measuring device or the first measuring algorithm determines that the determined current intensity is above a first reference current intensity, the first measuring device or the first measuring algorithm sets a signal for generating a signal Trigger signal off.
  • the first measuring device or the first measuring algorithm works relatively quickly to determine whether the current has exceeded the first high reference current.
  • the first measuring device uses a lower resolution than the analog-digital
  • the second measuring device or the second measuring algorithm determines that the current has not exceeded the value of the first reference current. If the second measuring device or the second measuring algorithm determines that the current has not exceeded the value of the first reference current, the second measuring device or the second measuring algorithm is triggered. The second measuring device or the second measuring algorithm again measures the current intensity more accurately and compares this with a second reference current intensity that is significantly lower than the first reference current intensity. If the second measuring device or the second measuring algorithm determines that the measured current exceeds the second reference current, a signal for generating a triggering signal is output. If the first measuring device or the second measuring algorithm determines that the measured current intensity does not exceed the second reference current intensity, the second measuring device or the second measuring algorithm forwards no signal for generating a triggering signal. The check as to whether an overload has occurred is carried out by the first microcontroller.
  • the protective switching device can very quickly disconnect the power connection if it is determined that there is a short-circuit current. On the other hand, it can be determined with little error by the method, how strong the occurred fault current really is. If there is no hard short circuit, the second measuring device or the second measuring algorithm checks the exact magnitude of the fault current in order not to switch off the downstream system or the downstream consumer unnecessarily. This increases the availability of a system. If the second measuring device or the second measuring algorithm determines that the magnitude of the fault current lies between the first reference current intensity and the second reference current intensity, ie that a less hard short circuit is present, so separates the second microcontroller but also the current flow.
  • the second measuring device or the second measuring algorithm has ensured that there was definitely a short circuit, but a less severe short circuit. If the more accurate measurement of the second measuring device determines that there was no short circuit, even though the comparator detected more than 13 x I N due to a coupling, the second microcontroller does not respond at all, but leaves possible reactions to fault currents to the first microcontroller, the has exact knowledge of the exact currents and their time courses as well as the history of the above mentioned quantities.
  • the first measuring device or the first measuring algorithm determines the current intensity very quickly, but also somewhat inaccurate. However, if a very high current is present, for example above 52 times the rated current, the inaccurate measurement of the first measuring device or the first measuring algorithm is sufficient to decide that the current flow is separated as quickly as possible. A closer check of the current intensity is no longer required for very high values. If the measured current strength lies below the first reference current intensity, ie, for example, below 52 times the rated current value, a more accurate second measurement is performed by the second measuring device or the second measuring algorithm. The second measuring device or the second measuring algorithm measures slower and therefore more accurate.
  • the second microcontroller determines that the fault current intensity is below the second reference current level, the second microcontroller does not carry out any further action, but leaves it to the first microcontroller which likewise monitors or checks the fault current which occurred in parallel. Because the two microcontrollers operate independently of each other, the first microcontroller disconnects the load from the grid upon detection that an overcurrent event has occurred.
  • the current courses are in fixed time units in a memory associated with the first microcontroller stored.
  • a protective device is particularly suitable for carrying out the method.
  • a method is preferred in which a first measuring algorithm of the first measuring device measures with a lower resolution than a downstream second measuring algorithm of the second measuring device.
  • the first and second measurement algorithms preferably each use an analog-to-digital conversion.
  • the analog-to-digital conversion of the first measurement algorithm uses 4 to 8 bit resolution and the analog to digital conversion of the second measurement algorithm uses 9 or 10 bit resolution.
  • a method is preferred in which at least one of the measurement algorithms determines the slope, i. H. a so-called Delta, the current used to safely detect a short circuit event.
  • microcontrollers used are preferably freely programmable microcontrollers, preferably so-called RISC.
  • Figure 1 shows a typical tripping characteristic for determining the
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an algorithm in a second microcontroller of a protective circuit device with a nested short circuit detection
  • FIG. 3 shows the schematic illustration of a protective switching device with two independently operating microcontrollers.
  • Fig. 1 shows a typical tripping characteristic for determining the limit values of the input signal, i. the input voltage as an image of the operating current of a consumer.
  • the tripping characteristic can be used to decide whether there is a dependent delayed overcurrent, an independent delayed overcurrent or an instantaneous short-circuit current.
  • the three different scenarios are shown in FIG.
  • the protective switching device is tuned to a so-called setting current (I E ). This advantageously corresponds to the rated current (I N ) of the protected electrical consumer.
  • the current is shown on the y-axis, the time on the x-axis for triggering. In the event of an overload or a short circuit, the current increases.
  • one of the two microcontrollers of the protective switching device releases a tripping signal.
  • the determination of the limit values of the input signal is defined by the tripping characteristic, see FIG. 1.
  • the tripping characteristic is subdivided into three regions I, II, III.
  • the first region I represents the "dependent delayed overcurrent region".
  • the actual flowing current lies between the simple and the 11 times the rated current intensity (I N ) in the first region I. At such current intensities the current may continue to flow for some time
  • the current flow at such currents usually after some time interrupted when the corresponding I 2 t value is exceeded in order to protect the consumer from thermal damage.
  • the third area III represents the "undelayed short-circuit area". If the amperage has exceeded an input current, usually 13 times the rated current (I N ), then the load must be disconnected from the grid as quickly as possible.
  • transition region II Between the instantaneous short-circuit region III and the dependent delayed overcurrent region I, there is the so-called transition region II.
  • transition region II in this embodiment there is a current intensity which lies between 11 times and 13 times the value of the rated current intensity (I N ).
  • FIG. 2 schematically shows a sequence of short-circuit detection in the second microcontroller 2 of a protective switching device 1 with a nested short-circuit detection 4.
  • the comparator 10 detects that a fault current or an error voltage is present, it triggers. That is to say advantageously the short-circuit algorithm is triggered by the software on the basis of a comparator interrupt starting at 13 times the value of the rated current limit, since the comparator 10 is very fast.
  • the short-circuit algorithm now points to the appropriate phase, first phase 1, and measures the current through the first one Measuring device or the first measuring algorithm 11 according to. Due to the final measurement by the second measuring device or the second measuring algorithm 13, the signal-to-noise ratio is increased and the availability of the system is ensured. Most time consuming in the second microcontroller 2 is the analogue
  • the first reference current level is relatively high, for example, it is 52 times the rated current value. If the measured current exceeds the first reference current intensity, this is forwarded directly to the tripping unit 15, which generates a tripping signal. In an externally supplied system in the loop 5, a phase is switched on, so that the current components of the next phase, here the phase 2, are checked by the short-circuit detection 4. Thus, all phases of a power line can be checked one after the other and a common evaluation can be carried out.
  • the second measuring device or the second measuring algorithm 13 measures the current intensity again, more slowly but more accurately , Is the current measured by the second measuring device or the second measuring algorithm 13 above a second reference current strength, this is the trip unit 15 forwarded, which generates a trigger signal.
  • the second reference current is lower than the first reference current.
  • the second reference current strength is 13 times the value of the rated current. If the second comparison unit 14 determines that the more accurately measured current intensity is below the second reference current level, the trip unit 15 is bypassed, so that no trigger signal is triggered.
  • the loop 5 ensures that all phases of a line are checked. If the short-circuit detection 4 determines that in no phase is a current having a current intensity which is above the second reference current strength, then the second microcontroller 2 does not trigger.
  • the protective switching device 1 has a first microcontroller 6, which is designed to check an overload. Since the check for the presence of an overload is not as time-critical as with a short circuit detection, another input filter 7 can be used in the overload detection in the first microcontroller 6, as the second input signal filter 3 in the short circuit detection 4 of the second microcontroller. 2 , see Fig. 3.
  • the function for operational switching in one of the microcontroller, preferably in the first microcontroller 6, which is responsible for the overload trip, are integrated.
  • microcontroller Due to the presence of inexpensive, faster and smaller microcontroller, when using two smaller micro- controller 2, 6 compared to a larger microcontroller is not necessarily an economic disadvantage. On the contrary, the microcontroller can be made simpler and thus cheaper, since they only have to cover one scenario, overload or short circuit.
  • the software algorithms of the short-circuit release can be designed accordingly fast.
  • the short-circuit event can be jumped on immediately without the second microcontroller 2 having to buffer too much data and return addresses in advance.
  • the software algorithms of the overload tripping can continue to operate in parallel and store the corresponding data (I 2 t). This would be, for example, a false trip, ie the comparator 10 detects a short circuit, but the subsequent remeasurement by the two measuring devices 11, 13 is negative, helpful.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schutzschaltgerät (1) zum Überwachen des elektrischen Stromflusses zu einem elektrischen Verbraucher, aufweisend eine Schaltfunktionalität, eine Überstromauslösefunktionalität und eine Kurzschlussauslösefunktionalität, aufweisend einen ersten Mikrokontroller (6) mit einem ersten Eingangssignalfilter (7), wobei der erste Mikrokontroller (6) zur Überwachung der Überstromauslösefunktionalität ausgebildet ist und wobei ein zweiter Mikrokontroller (2) mit einem zweiten Eingangssignalfilter (3) vorgesehen ist, der zur Überwachung der Kurzschlussauslösefunktionalität ausgebildet ist, wobei die beiden Eingangssignalfilter (3, 7) unterschiedlich ausgelegt sind, und wobei die Schaltfunktionalität in einem der beiden Mikrokontroller (2, 6) vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung des elektrischen Stromflusses zu einem elektrischen Verbraucher durch ein Schutzschaltgerät.

Description

Beschreibung
Schutzschaltgerät zum Überwachen des elektrischen Stromflusses zu einem elektrischen Verbraucher bzw. Verfahren zur Überwachung des elektrischen Stromflusses zu einem elektrischen Verbraucher durch ein Schutzschaltgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schutzschaltgerät zum Überwachen des elektrischen Stromflusses zu einem elektri- sehen Verbraucher, aufweisend eine Schaltfunktionalität, eine Überstromauslösefunktionalität und eine Kurzschlussauslöse- funktionalität, aufweisend einen ersten Mikrokontroller mit einem ersten Eingangssignalfilter. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung des elektrischen Strom- flusses zu einem elektrischen Verbraucher durch ein Schutzschaltgerät .
Schutzschaltgeräte zum Überwachen des elektrischen Stromflusses zu einem elektrischen Verbraucher sind beispielsweise Mehrfunktionsniederspannungsschaltgeräte im Sinne der Norm EN 60947-6-2 und Leistungsschalter mit elektronischem Über- stromschutz im Sinne der Norm EN 60947-2. Diese werden auf einen sogenannten Einstellstrom (IE) abgestimmt. Dieser sollte dem Bemessungsstrom (IN) der elektrischen Verbraucher ent- sprechen. Übersteigt der tatsächlich fließende Strom den Einstellstrom, wird je nach Zeitdauer und geflossenem Strom ein Auslösesignal abgesetzt. Die Schutzschaltgeräte trennen entweder im Fall solch einer Überlast den nachgeschalteten Verbraucher von der Versorgung oder melden das Ereignis an eine übergeordnete Stelle weiter. Die Ermittlung der Grenzwerte des Signals wird in der Regel über eine Auslösekennlinie definiert, siehe Fig. 1.
Hierbei werden drei verschiedene Szenarien betrachtet. Über- steigt der tatsächlich fließende Strom relativ gering den
Einstellstrom (IE), darf der Strom je nach dessen konkreten Werten noch einige Zeit weiter fließen. Als Grenzwert für eine Auslösung wird ein erster Bereich I der Kennlinie gemäß Fig. 1 herangezogen. Eine derartige Schutzeinrichtung kann auch als Überstromzeitschutzeinrichtung verstanden werden und wird normativ als „abhängig verzögerter Überstromauslöser" nach den Normen EN 60947-6-2 (Kap. 5.7.1.3.2) und EN 60947-1 (Kap. 2.4.24) bezeichnet. Diese abhängig verzögerte Über- stromauslösung dient im Allgemeinen dazu, Verbraucher von elektrischer Energie vor thermischen Schäden zu schützen.
Übersteigt der Strom sehr stark den Einstellstrom (IE), muss der Verbraucher möglichst schnell vom Netz getrennt werden.
Als Grenzwert für eine Auslösung wird ein zweiter Bereich III der Kennlinie gemäß Fig. 1 herangezogen. Die Schutzeinrichtung arbeitet dann als Kurzschlussschutz und wird normativ als „unverzögerter Kurzschlussauslöser" nach den Normen EN 60947-6-2 (Kap. 5.7.1.3.1) und EN 60947-1 (Kap. 2.4.26) bezeichnet .
Im Übergangsbereich zwischen dem Kurzschlussschutz und dem Überstromzeitschutz kann in elektronischen Schutzgeräten auf Grund der Notwendigkeit des Eigenschutzes ein dritter Bereich II definiert sein, siehe Fig. 1. Dieser kann entweder als „unabhängig verzögerter Kurzschlussauslöser" nach der Norm EN 60947-6-2 (Kap. 5.7.1.3.2) oder als „unabhängig verzögerter Überlastauslöser" nach der Norm EN 60947-6-2 (Kap. 5.7.1.3.1) bzw. nach den Normen EN 60947-1 (Kap. 2.4.26) bzw. EN 60947-1 (Kap. 2.4.24) verstanden werden.
Werden in neuartigen elektronischen Geräten Mikrokontroller verwendet, ergeben sich zahlreiche Vorteile. So können über Firmwarevarianten verschiedene Gerätetypen innerhalb einer zusammengehörigen Familie realisiert werden, ohne dass die hardwareseitige Fertigungstiefe zu groß wird. Mit Hilfe der Kontroller können zahlreiche Sonderfunktionen kostengünstig integriert werden, die Schutzschaltgeräte können besser ein- stellbar aufgebaut werden und genauer auf die gemessenen Parameter reagieren. Zudem ist oft eine schrittweise Verbesserung der Schutzschaltgeräte ohne kostenintensive Hardwareän- derungen, wie ein sog. Relayout, Werkzeugänderungen o.a., möglich.
Es besteht aber bei derartigen Schutzschaltgeräten das Prob- lern, dass ein unverzögerter Kurzschlussauslöser und ein abhängig verzögerter Überstromauslöser ganz anders geartete Anforderungen stellen.
So muss der abhängig verzögerte Überstromauslöser, auch als Überlastauslöser bezeichnet, in der Lage sein, eine entsprechende I2t-Auslösegrenze gemäß der Kennlinie nach Fig. 1 zu verarbeiten. Nach dem Auslösen des Überlastauslösers kann dieser nach Ablauf der Wiedereinschaltbereitschaftszeit aktiviert werden. Das Ganze hat zur Folge, dass der Überlastaus- löser Strom-Zeit-Abhängigkeiten und Zeiträume erfassen und auswerten muss. Dabei müssen auch kurze zwischenzeitliche Abschaltungen die thermischen Vorbelastungen des Verbrauchers berücksichtigen. Als Vorteil dieser Funktion kann der im Verhältnis hohe Zeitvorrat gesehen werden, d.h. die Überlastaus- lösung ist nicht zeitkritisch.
Der Kurzschlussauslöser muss i.d.R. keine Strom-Zeit- Abhängigkeiten und Zeiträume erfassen. Kurzschlüsse mit sehr niedrigen Restimpedanzen, sog. harte Kurzschlüsse, müssen aber möglichst schnell erfasst und ausgewertet werden. Dabei muss möglichst schnell der Verbraucher vom Netz getrennt werden, um Folgeschäden möglichst zu vermeiden und den Auslöser selbst zu schützen, sog. Eigenschutz. Normativ wird vom jeweiligen Bemessungsausschaltvermögen der Schutzschaltgeräte gesprochen, welche die zum Teil kurzzeitig sehr hohen Energiedichten aushalten müssen. Der dabei entstehende Lichtbogen wird in den Lichtbogenlöschkammern vernichtet.
Dieser Gegensatz zwischen Kurzschlussauslösung und Überlast- auslösung hat ganz verschiedene Anforderungen zur Folge, so dass die Verarbeitung in gemeinsamen Gruppen immer mit Kompromissen verbunden sein wird. So muss ein Signaleingangsfilter beiden Ansprüchen genügen. Die geforderten Auflösungen an einen verwendeten Analog-Digital-Wandler sind hoch, da ein weiter Messbereich des Stroms abgedeckt werden muss.
Klassische Überstromschutzeinrichtungen beinhalten ein Bime- tall, durch welches der Strom des Verbrauchers fließt. Dieser Strom erwärmt in Abhängigkeit der Stromstärke und der Zeitdauer das Bimetall: δQ =I2R*t
Alternativ kann das Bimetall auch durch indirekte Erwärmung benachbarter Leiter erwärmt werden. Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien im Bimetall biegt sich dieses durch und stellt eine Meldung zur Weiterverarbeitung bereit oder löst ein entsprechendes Ereignis aus.
Für die o.g. schnelle Kurzschlusserkennung wird bei klassischen Geräten ein magnetisch arbeitender Auslöser verwendet. Wenn der Strom steigt, dann erhöht sich das Magnetfeld in ei- ner dafür ausgelegten Spule. Dieses führt auf Grund der elektromagnetischen Kräfte ab einem bestimmten Grenzwert zu einer Bewegung eines Ankers oder Stößels im Kern der Spule. Üblicherweise löst dieser Anker an einem Schaltschloss bei einem Kurzschlussereignis aus und bringt dann das Schalt- schloss zum Ausklinken oder Ausrasten. Es kann also generell gesagt werden, dass in klassischen Geräten, auch wenn beide Funktionen Überlast- und Kurzschlussauslösung vorhanden sind, unterschiedliche elektromechanische Bauteile eingesetzt werden. Diese Lösung ist platzintensiv und teuer.
Neuartige Geräte arbeiten mit Hilfe eines Mikrokontrollers elektronisch. Dabei werden die Signalverläufe der Ströme des Verbrauchers bzw. die Spannungsverläufe digital abgetastet. Dieses zeitquantisierte Signal wird in diskreten Werten abge- speichert. Hier erfolgt eine Analog-Digital-Wandlung. Damit ist es möglich, die Signalverläufe genauer abzubilden und verschiedene Kennlinien bzw. Charakteristika in den Geräten zu hinterlegen. Aus den unterschiedlichen Anforderungen der Kurzschlussauslösung und der Überlastauslösung ergeben sich unterschiedliche Abarbeitungsalgorithmen. Damit sind die Anforderungen an den entsprechenden Mikroprozessor entsprechend hoch. Denkbar sind auch Mischformen, in dem eine Funktion klassisch realisiert wird und die andere elektronisch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schutzschaltgerät und ein Verfahren zum elektronischen Funktionssplitting in Überlastfällen und Kurzschlussfällen in einem Schutz- schaltgerät zu schaffen, das einfach und schnell funktioniert und kostengünstig realisierbar ist. Durch das Schutzschaltgerät bzw. das Verfahren soll die Belastung an den eingesetzten Mikrokontroller verringert werden. Ferner soll die Kurzschlusserkennung zur sichereren und schnelleren Auslösung ausgebildet sein.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Schutzschaltgerät mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Pa- tentanspruch 9 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details die im Zusammenhang mit dem Schutzschaltgerät beschrieben sind gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem Verfah- ren, und jeweils umgekehrt.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Schutzschaltgerät zum Überwachen des elektrischen Stromflusses zu einem elektrischen Verbraucher, aufweisend eine Schaltfunktionalität, eine Überstromauslösefunktionalität und eine Kurzschlussauslösefunktionalität, aufweisend einen ersten Mikrokontroller mit einem ersten Eingangssignalfilter, wobei der erste Mikrokontroller zur Überwachung der Überstromauslösefunktionalität ausgebildet ist, und bei dem ein zweiter Mikrokontroller mit einem zweiten Eingangssignalfilter vorgesehen ist, der zur Überwachung der Kurzschlussauslö- sefunktionalität ausgebildet ist, wobei die beiden Eingangssignalfilter unterschiedlich ausgelegt sind, und bei dem die Schaltfunktionalität in einem der beiden Mikrokontroller vorgesehen ist, gelöst.
Der Kern der Erfindung liegt darin, dass das Schutzschaltge- rät zwei einfache Mikrokontroller, insbesondere mit einer mehrfach abgestuften Kurzschlusserkennung, anstelle eines komplexeren Mikrokontrollers aufweist. Hierdurch kann das Schutzschaltgerät auf die unterschiedlichen Anforderungen der Kurzschlussauslösung und der Überlastauslösung besser und ge- zielter eingehen. D.h., ein Mikrokontroller ist für die Kurzschlussauslösung zuständig und ein Mikrokontroller für die Überlastauslösung. Die beiden Mikrokontroller können jeweils klein, preiswert und schnell ausgebildet sein. Durch den Einsatz zweier preiswerter, schneller und kleiner Mikrokontrol- ler, entsteht gegenüber einem größeren Mikrokontroller nicht zwangsläufig ein ökonomischer Nachteil. Der Preis eines Mikrokontrollers wird in erster Linie vom benötigten Programmspeicher, i.d.R. ein Flash-Speicher, und von der Gehäusegröße bestimmt. Der benötigte Programmspeicher teilt sich bei der Lösung mit zwei Mikrokontrollern entsprechend auf. Gleiches gilt für den Eingangssignalfilter. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schutzschaltgeräten, die einen Mikrokontroller und einen Eingangssignalfilter aufweisen, der sowohl für die Überlasterkennung, als auch für die Kurz- Schlusserkennung zuständig ist, arbeitet der komplexe Mikrokontroller langsam, weil er beide Szenarien, Kurzschluss und Überlast, überprüfen muss. Dies kostet Zeit. Eine schnellstmögliche Kurzschlusserkennung erfordert Eingangssignalfilter, deren Tiefpasscharakter nicht zu stark ausgelegt ist, um steile Flanken im Anstieg möglichst wenig zu bedampfen. Für die Überlastauslösung ist es aber bedeutsam, Fehler der Abtastung zu vermeiden. Hierzu ist die Erkennung von fallenden und steigenden Werten erforderlich. Auf Grund des zeitunkritischeren Sachverhalts bei der Überlasterkennung ist die FiI- terung schneller Transienten und Oberwellen besser möglich, d.h. es werden Eingangssignalfilter mit Tiefpasscharakter bzw. Eingangssignalfilter höherer Ordnung benötigt. Dadurch, dass das Schutzschaltgerät zwei Mikrokontroller aufweist, kann jedem Mikrokontroller ein eigener spezieller Eingangssignalfilter zugeordnet werden. Dies muss ebenfalls kein wirtschaftlicher Nachteil sein, da die beiden einzelnen, spe- ziellen Eingangssignalfilter für sich gesehen einfacher ausgebildet sein können, als ein einziger komplexer Eingangssignalfilter, der sowohl die Überlasterkennung, als auch die Kurzschlusserkennung abdecken muss.
Der erste Mikrokontroller mit dem ersten Eingangssignalfilter dient zur Überwachung der Überstromlast, der zweite Mikrokontroller mit dem zweiten Eingangssignalfilter dient zur Überwachung eines Kurzschlusses. Dabei ist der zweite Eingangssignalfilter des zweiten Mikrokontrollers bevorzugt für eine schnellstmögliche Kurzschlusserkennung ausgelegt, d.h. der Tiefpasscharakter des zweiten Eingangssignalfilters ist schwach ausgelegt, um steile Flanken im Anstieg möglichst wenig zu bedampfen. Der erste Eingangssignalfilter des ersten Mikrokontrollers ist bevorzugt für eine Überlasterkennung ausgelegt. D.h., der erste Eingangssignalfilter kann Störungen besser bedampfen und schnelle Transienten und Oberwellen besser herausfiltern. Daher ist der Tiefpasscharakter des ersten Eingangssignalfilters des ersten Mikrokontrollers bevorzugt deutlich höher ausgeprägt, als der Tiefpasscharakter des zweiten Eingangssignalfilters des zweiten Mikrokontrollers .
Die beiden Mikrokontroller und entsprechend die beiden Eingangssignalfilter arbeiten völlig unabhängig voneinander.
Die Schaltfunktionalität zum betriebsmäßigen Schalten des Schutzschaltgerätes kann wahlweise in einem der beiden Mikrokontroller integriert sein. Bevorzugt ist die Schaltfunktionalität zum betriebsmäßigen Schalten des Schutzschaltgerätes jedoch in dem ersten Mikrokontroller, der für die Überstrom- auslösung zuständig ist, integriert. D.h., vorteilhafterweise weist der erste Mikrokontroller die Schaltfunktionalität und die Überstromauslösefunktionalität auf. Insbesondere bevorzugt ist ein Schutzschaltgerät, bei dem der zweite Mikrokontroller einen Komparator und wenigstens zwei dem Komparator nachgeschaltete, nacheinander angeordnete, Messeinrichtungen und Vergleichseinheiten zur Messung der
Stromstärke bzw. der Spannung und zum Vergleichen der gemessenen Stromstärke bzw. der Spannung mit Referenzstromstärken bzw. Referenzspannungen und eine den Messeinrichtungen nachgeschaltete Auslösesignaleinheit aufweist. Bei einem derarti- gen Schutzschaltgerät ist die Kurzschlussauslösung zur sichereren und schnelleren Auslösung geschachtelt aufgebaut. Die Messeinrichtungen weisen jeweils einen Messalgorithmus auf, mittels welchen die aufgetretenen Spannungen gemessen werden können .
Bei einem Kurzschluss tastet der Komparator den Wert des Eingangssignals, d.h. die angefallene Stromstärke bzw. die angefallene Spannung sehr schnell ab, d.h. der Komparator schlägt sehr schnell an. Hierdurch kann bei Auftritt eines Kurz- Schlusses sehr schnell die Stromverbindung von einer Versorgung zu einem Verbraucher getrennt werden.
Das Eingangssignal, insbesondere die Spannung, wird von dem Komparator mit einer Referenzspannung verglichen. Je nachdem, ob die Spannung größer oder kleiner als die Referenzspannung ist, reagiert der Komparator unterschiedlich. Stellt der Komparator fest, dass die Eingangsspannung über einer bestimmten Eingangsspannung liegt, löst dieser ein Signal aus, welcher softwareseitig einen sogenannten Komparatorinterrupt zur FoI- ge hat, so dass in eine Interruptroutine eingesprungen wird. In dieser können im Mikrokontroller vorhandene Messeinrichtungen bzw. Messalgorithmen benutzt werden, um die aufgetretene Spannung nachzumessen. Vorteilhafterweise wird softwareseitig ein Kurzschlussalgorithmus durch den Komparatorinter- rupt ausgelöst, da der Komparator sehr schnell reagiert. Idealerweise wird ab dem 13-fachen Wert des Bemessungsstroms (IN) der Komparatorinterrupt ausgelöst. Ab welchem Wert der Komparatorinterrupt ausgelöst wird, kann aber auch individu- eil bei dem Schutzschaltgerät festgelegt werden. Der Kurzschlussalgorithmus zeigt nun auf die entsprechende Phase und eine erste Messeinrichtung bzw. ein erster Messalgorithmus misst den Strom nach. Stellt die erste Messeinrichtung fest, dass die ermittelte Stromstärke über einer ersten Referenzstromstärke, die relativ hoch angesetzt ist, liegt, setzt die erste Messeinrichtung bzw. der erste Messalgorithmus ein Signal zum Erzeugen eines Auslösesignals ab. Die erste Messeinrichtung arbeitet relativ schnell, um festzustellen, ob die aufgetretene Stromstärke einen hohen Wert, d.h. die erste Referenzstromstärke, überschritten hat. Vorteilhafterweise sind im Falle von ungenauen Messungen besonders schnelle Messungen möglich. Beispielsweise kann die im Kontroller vorhandene erste Messeinrichtung übertaktet werden. Die erste Referenz- Stromstärke liegt beispielsweise bei dem 52-fachen Wert der Bemessungsstromstärke. Stellt die erste Messeinrichtung bzw. der erste Messalgorithmus fest, dass die aufgetretene Stromstärke den Wert der ersten Referenzstromstärke nicht überschritten hat, sendet die erste Messeinrichtung bzw. der ers- te Messalgorithmus der zweiten Messeinrichtung ein Signal, so dass die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus die Stromstärke nochmals nachmisst und mit einer zweiten Referenzstromstärke, die niedriger als die erste Referenzstromstärke ist, vergleicht. Stellt die zweite Messeinrich- tung bzw. der zweite Messalgorithmus fest, dass die gemessene Stromstärke die zweite Referenzstromstärke überschreitet, setzt die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus ein Signal zum Erzeugen eines Auslösesignals ab. Stellt die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgo- rithmus fest, dass die gemessene Stromstärke die zweite Referenzstromstärke nicht überschreitet, setzt die zweite Messeinrichtung kein Signal, insbesondere kein Auslösesignal, ab.
Sinn der geschachtelten Messeinrichtungen bzw. der geschach- telten Messalgorithmen und des Komparatoreinsprungs bei Ermittlung der Stromstärken ist, dass bei Auftreten eines sehr hohen Stromes, d.h. eines Kurzschlussstromes, sehr schnell ein Signal zum Auslösen bzw. Trennen der Stromverbindung er- zeugt wird. Die erste Messeinrichtung bzw. der erste Messalgorithmus überprüft die aufgetretene Stromstärke sehr schnell, aber auch etwas grob. Wird durch die erste Messeinrichtung bzw. den ersten Messalgorithmus jedoch festgelegt, dass der ermittelte Strom sehr hoch ist, d.h. über der ersten Referenzstromstärke, liegt, löst die erste Messeinrichtung direkt das Auslösesignal aus, da der Stromfluss schnellstmöglich unterbrochen werden soll. Liegt die Stromstärke unterhalb der ersten hohen Referenzstromstärke, wird die Strom- stärke nochmals genauer durch die zweite Messeinrichtung bzw. den zweiten Messalgorithmus nachgemessen. Auf Grund des niedrigeren Stromes bei der Messung in der zweiten Messeinrichtung, steht auch mehr Zeit zur Messung zur Verfügung. Die zweite Messeinrichtung misst langsamer und daher genauer. Durch diese geschachtelte Messung kann sichergestellt werden, dass der zweite Mikrokontroller nur dann auslöst, wenn dies auch wirklich erforderlich ist. Ein derartiges Schutzschaltgerät trennt die Stromverbindung nur, wenn wirklich ein Strom aufgetreten ist, der oberhalb einer zweiten Referenzstrom- stärke liegt. Daher weist die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus bevorzugt eine höhere Auflösung als die vorgeschaltete erste Messeinrichtung bzw. der vorgeschaltete erste Messalgorithmus auf. Liegt die aufgetretene Stromstärke unterhalb der zweiten Referenzstromstärke, kann in den ursprünglichen Zustand zurückgekehrt werden.
Der zweite Mikrokontroller überprüft sehr schnell, ob ein Kurzschluss vorliegt. Durch die geschachtelte Messung kann der zweite Mikrokontroller sehr schnell und genau feststel- len, ob ein Kurzschluss vorliegt. Da bei Auftritt einer Überlast die Messung nicht so zeitkritisch ist, wie bei einem Kurzschluss, kann der erste Mikrokontroller genau prüfen, in wie weit eine Überlast vorgelegen hat.
Aufgrund der Nachmessung der Stromstärke durch die zweite Messeinrichtung bzw. den zweiten Messalgorithmus wird der Störabstand erhöht und die Verfügbarkeit der abgesicherten Anlage sichergestellt. Die abgesicherte Anlage bzw. der abge- sicherte Verbraucher wird durch die gesonderte Kurzschlussmessung sicher vom Netz getrennt, wenn ein sehr hoher Strom auftritt, gleichzeitig ermöglicht der zweite Mikrokontroller aber auch, dass keine unnötige Abschaltung stattfindet, wenn festgelegt wird, dass die aufgetretene Stromstärke bzw. die Spannungsmessung an den Messeinrichtungen lediglich durch Störungen oder Einkopplungen zustande kam.
Besonders bevorzugt ist ein Schutzschaltgerät, bei dem die erste und die zweite Messeinrichtung jeweils Analog-Digital- Wandler aufweisen. Die Analog-Digital-Wandlung ist jedoch am zeitaufwändigsten im Mikrokontroller. D.h. ein Analog- Digital-Wandler in einem Mikrokontroller arbeitet i. d. R. mit dem Verfahren der sukzessiven Approximation und ist ver- hältnismäßig langsam. Wird auf die Auflösung verzichtet, ist es möglich, den Analog-Digital-Wandler, hier die erste Messeinrichtung, schnell zu betreiben, sozusagen zu übertakten. Da sehr hohe Ströme, d.h. sehr harte Kurzschlüsse, Werte liefern, welche die Auslöseschwelle, d.h. die erste Referenz- Stromstärke, extrem übersteigen, kann in diesem Fall zugunsten der damit möglichen kürzeren Messzeit auch auf eine hohe Auflösung verzichtet werden. Liegen die Messwerte unterhalb einer bestimmten Schwelle, d.h. der ersten Referenzstromstärke, liegt ein weniger harter Kurzschluss vor, so muss noch einmal mit höherer Genauigkeit durch die zweite Messeinrichtung nachgemessen werden. In diesem Fall steht aber auch etwas mehr Zeit zur Verfügung.
Denkbar sind zur Detektion der exakt aufgetretenen Stromstär- ken unterstützende Messungen in bestimmten festgelegten Zeitrastern. Sehr harte Kurzschlüsse haben Stromverläufe zur Folge, welche das Delta, d.h. die Differenz zwischen zwei Messungen gleicher Zeitabstände, größer werden lässt, als der typische Signalverlauf im normalen Betriebsverhalten zuließe.
Die Auflösung der ersten Messeinrichtung bzw. des ersten Messalgorithmus ist geringer, als die Auflösung der zweiten Messeinrichtung bzw. des zweiten Messalgorithmus. Dabei kön- nen die Auflösungen verschiedenste Werte aufweisen. Bevorzugt ist beispielsweise ein Schutzschaltgerät, bei dem bei der Analog-Digital-Wandlung beim ersten Messalgorithmus 6- bis 8- Bit-Auflösung und beim zweiten Messalgorithmus eine 9- bis 10-Bit-Auflösung benutzt werden. Je geringer die benötigte Auflösung des Analog-Digital-Wandlers ist, desto ungenauer misst er die Stromstärke. Die Genauigkeit des Analog-Digital- Wandlers hängt also von der Anzahl der Arbeitstakte, der so genannten Bit-Auflösung, ab. Eine Analog-Digital-Wandlung, bei dem 8-Bit-Auflösung benutzt wird, ist schneller, als eine Analog-Digital-Wandlung, bei der 10-Bit-Auflösung benutzt wird.
Ferner ist ein Schutzschaltgerät bevorzugt, bei dem der Tiefpasscharakter des ersten Eingangssignalfilters des ersten Mikrokontrollers höher ausgelegt ist, als der Tiefpasscharakter des zweiten Eingangssignalfilters des zweiten Mikrokontrollers. Dies ermöglicht, dass der zweite Mikrokontroller bei Auftreten eines hohen Stromes, d.h. eines Kurzschlusses, den Strom schnell misst, während der erste Mikrokontroller langsam und sicher eine ggf. aufgetretene Überlast messen kann .
Das Schutzschaltgerät kann beispielsweise ein Mehrfunktions- niederspannungsschaltgerät oder ein Leistungsschalter mit elektronischem Überstromschutz sein. Insbesondere Mehrfunk- tionsniederspannungsschaltgeräte im Sinne der Norm EN 60947- 6-2 und Leistungsschalter mit elektronischem Überstromschutz im Sinne der Norm EN 60947-2 sind besonders bevorzugt derart ausgebildet. Derartige Schutzschaltgeräte sicheren eine nach- geschaltete Anlage oder einen nachgeschaltete Verbraucher besonders sicher ab.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Überwachung des elektrischen Stromflusses zu einem elektrischen Verbraucher durch ein Schutzschaltgerät, bei dem ein erster Eingangssignalfilter eines ersten Mikrokontrollers den Signalverlauf des Stromflusses bzw. der Spannung überwacht und der erste Mikrokontroller bei Fest- Stellung einer Überlast ein Fehlersignal und/oder ein Auslösesignal erzeugt, und bei dem ein zweiter Eingangssignalfilter eines zweiten Mikrokontrollers den Signalverlauf des Stromflusses bzw. der Spannung überwacht und der zweite Mik- rokontroller bei Feststellung eines Kurzschlusses ein Auslösesignal erzeugt, wobei die beiden Eingangssignalfilter unterschiedlich ausgelegt sind und wobei der Stromfluss nach Erzeugung eines Auslösesignal unterbrochen wird.
Ein derartiges Verfahren zur Überwachung des elektrischen Stromflusses zu einem elektrischen Verbraucher durch ein Schutzschaltgerät ermöglicht die elektronische Funktionssplitting in Überlastfällen und Kurzschlussfällen. Durch das Schutzschaltgerät bzw. das Verfahren wird die Belastung an den eingesetzten Mikrokontroller verringert.
Der zweite Mikrokontroller ist für die Kurzschlussauslösung zuständig und der erste Mikrokontroller für die Überlastauslösung. Der zweite Mikrokontroller kann sehr schnell fest- stellen, ob ein Kurzschluss vorliegt. Hierfür ist dieser speziell ausgelegt. D.h., der Eingangssignalfilter des zweiten Mikrokontrollers kann sehr schnell auf hohe Stromstärken reagieren. Der erste Eingangssignalfilter des ersten Mikrokontrollers kann Überlastfälle besser feststellen.
Insbesondere bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem der zweite Mikrokontroller einen Komparator benutzt, wobei der Kompara- tor den Signalverlauf des Stromflusses bzw. den Spannungsverlauf überwacht, und bei dem bei Überschreitung einer bestimmten Eingangsstromstärke bzw. Eingangsspannung eine erste, dem Komparator nachgeschaltete, Messeinrichtung die Stromstärke nachmisst und eine erste Vergleichseinheit diese mit einer ersten Referenzstromstärke vergleicht, und bei dem bei Feststellung, dass die gemessene Stromstärke die erste Referenzstromstärke überschreitet, die erste Messeinrichtung ein Signal zum Erzeugen eines Auslösesignals absetzt, oder bei dem bei Feststellung, dass die gemessene Stromstärke die erste Referenzstromstärke nicht überschreitet, die erste Messeinrichtung eine nachge- schaltete» zweiten Messeinrichtung anstößt, so dass die zweite Messeinrichtung die Stromstärke nochmals nachmisst und eine zweite Vergleicheinheit diese mit einer zweiten Referenz- Stromstärke vergleicht, wobei bei Feststellung, dass die gemessene Stromstärke die zweite Referenzstromstärke überschreitet, die zweite Messeinrichtung ein Signal zum Erzeugen eines Auslösesignals bereitstellt, oder bei dem bei Feststellung, dass die gemessene Stromstärke die zweite Referenz- Stromstärke nicht überschreitet, die zweite Messeinrichtung kein Signal zum Erzeugen eines Auslösesignals bereitstellt.
Der Komparator stellt sehr schnell fest, dass eine hohe Stromstärke vorliegt. Hierzu vergleicht der Komparator stän- dig den Wert des Eingangssignals. Liegt eine hohe Stromstärke vor, spricht der Komparator sehr schnell an. Das Eingangssignal, insbesondere die Spannung, wird von dem Komparator mit einer Referenzspannung verglichen. Stellt der Komparator fest, dass die Eingangsspannung über einem bestimmten Span- nungspegel liegt, löst dieser eine Alorithmenunterbrechung, den sogenannten Komparatorinterrupt, aus. Die untergeordnete erste Messeinrichtung bzw. der untergeordnete erste Messalgorithmus misst daraufhin die aufgetretene Spannung nach. Der Komparatorinterrupt löst dabei beispielsweise ab dem 13- fachen Wert des Bemessungsstroms (IN) aus. Der Algorithmus zeigt nun auf die entsprechende Phase des Drehstroms, beispielsweise in einem Drehstromnetz, und der erste Messalgorithmus misst den Strom nach. Der Grundalgorithmus weist eine Schleife auf, die ermöglicht, dass die Gleichstromanteile al- ler Phasen, bei einem Drehstromnetz sind dies drei Phasen, nacheinander durch den Komparator und damit der Kurzschlusserkennung abgetastet werden. Dies ermöglicht eine gemeinsame Bewertung.
Stellt die erste Messeinrichtung bzw. der erste Messalgorithmus fest, dass die ermittelte Stromstärke über einer ersten Referenzstromstärke liegt, setzt die erste Messeinrichtung bzw. der erste Messalgorithmus ein Signal zum Erzeugen eines Auslösesignals ab. Die erste Messeinrichtung bzw. der erste Messalgorithmus arbeitet relativ schnell, um festzustellen, ob die aufgetretene Stromstärke die erste hohe Referenzstromstärke überschritten hat. Dabei benutzt die erste Messein- richtung eine geringere Auflösung als der Analog-Digital-
Wandler im Mikrokontroller erlaubt. Stellt die erste Messeinrichtung bzw. der erste Messalgorithmus fest, dass die aufgetretene Stromstärke den Wert der ersten Referenzstromstärke nicht überschritten hat, wird die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus angestoßen. Die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus misst die Stromstärke nochmals genauer nach und vergleicht diese mit einer zweiten Referenzstromstärke, die deutlich niedriger als die erste Referenzstromstärke ist. Stellt die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus fest, dass die gemessene Stromstärke die zweite Referenzstromstärke überschreitet, wird ein Signal zum Erzeugen eines Auslösesignals abgesetzt. Stellt die erste Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus fest, dass die gemessene Stromstärke die zweite Refe- renzstromstärke nicht überschreitet, leitet die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus kein Signal zum Erzeugen eines Auslösesignals weiter. Die Überprüfung, ob eine Überlast vorgelegen hat, wird durch den ersten Mikrokontroller durchgeführt.
Bei dem geschachtelten Messverfahren kann das Schutzschaltgerät sehr schnell die Stromverbindung trennen, wenn festgestellt wird, dass ein Kurzschlussstrom vorliegt. Andererseits kann durch das Verfahren fehlerarm festgestellt werden, wie stark der aufgetretene Fehlerstrom wirklich ist. Liegt kein harter Kurzschluss vor, so überprüft die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus die genaue Stärke des Fehlerstroms, um die nachgeschaltete Anlage bzw. den nachgeschalteten Verbraucher nicht unnötig abzuschalten. Damit er- höht sich die Verfügbarkeit einer Anlage. Stellt die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus fest, dass die Stärke des Fehlerstroms zwischen der ersten Referenzstromstärke und der zweiten Referenzstromstärke liegt, d.h., dass ein weniger harter Kurzschluss vorliegt, so trennt der zweite Mikrokontroller aber auch den Stromfluss. Die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus hat sichergestellt, dass definitiv ein Kurzschluss, aber ein weniger har- ter Kurzschluss, vorlag. Stellt die genauere Messung der zweiten Messeinrichtung fest, dass kein Kurzschluss vorlag, obwohl der Komparator auf Grund einer Einkopplung mehr als 13 x IN erkannte, reagiert der zweite Mikrokontroller gar nicht, sondern überlässt evtl. Reaktionen auf Fehlerströme dem ers- ten Mikrokontroller, der über genaue Kenntnisse der exakten Stromstärken und deren Zeitverläufe sowie der Historie der vorhin genannten Größen verfügt.
Die erste Messeinrichtung bzw. der erste Messalgorithmus er- mittelt die aufgetretene Stromstärke sehr schnell, aber auch etwas ungenau. Liegt eine sehr hohe Stromstärke vor, beispielsweise über dem 52-fachen Wert der Bemessungsstromstärke, reicht die ungenaue Messung der ersten Messeinrichtung bzw. des ersten Messalgorithmus jedoch aus, um zu entschei- den, dass der Stromfluss schnellstmöglich getrennt wird. Eine genauere Überprüfung der Stromstärke ist bei sehr hohen Werten nicht mehr erforderlich. Liegt die gemessene Stromstärke unterhalb der ersten Referenzstromstärke, d.h., beispielsweise unterhalb des 52-fachen Wertes der Bemessungsstromstärke, erfolgt eine genauere zweite Messung durch die zweite Messeinrichtung bzw. den zweiten Messalgorithmus. Die zweite Messeinrichtung bzw. der zweiten Messalgorithmus misst langsamer und daher genauer. Stellt die zweite Messeinrichtung bzw. der zweiten Messalgorithmus fest, dass die Fehlerstrom- stärke unter der zweiten Referenzstromstärke liegt, führt der zweite Mikrokontroller gar keine weitere Handlung durch, sondern überlässt diese dem ersten Mikrokontroller der parallel ebenfalls den aufgetretenen Fehlerstrom überwacht bzw. überprüft. Da die beiden Mikrokontroller unabhängig voneinander arbeiten, trennt der erste Mikrokontroller bei Feststellung, dass ein Überstromereignis aufgetreten ist, den Verbraucher vom Netz. Die Stromverläufe werden in festen Zeiteinheiten in einem Speicher, der dem ersten Mikrokontroller zugeordnet ist, abgelegt.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem das Schutzschaltgerät zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem Schutzgerät nach dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Ein derartiges Schutzgerät ist besonders zur Durchführung des Verfahrens geeignet .
Des Weiteren ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem ein erster Messalgorithmus der ersten Messeinrichtung mit einer geringeren Auflösung misst, als ein nachgeschalteter zweiter Messalgorithmus der zweiten Messeinrichtung.
Der erste und der zweite Messalgorithmus benutzen bevorzugt jeweils eine Analog-Digital-Wandlung. Insbesondere benutzt die Analog-Digital-Wandlung des ersten Messalgorithmus eine 4- bis 8-Bit-Auflösung und die Analog-Digital-Wandlung des zweiten Messalgorithmus eine 9- oder 10-Bit-Auflösung.
Ferner ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem wenigstens einer der Messalgorithmen den Anstieg, d. h. ein sog. Delta, des Stromes benutzt, um ein Kurzschlussereignis sicher zu detek- tieren .
Die eingesetzten Mikrokontroller sind bevorzugt frei programmierbare Mikrokontroller, vorzugsweise sog. RISC.
Die Erfindung wird nun anhand eines nicht ausschließlichen Ausführungsbeispiels, unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnungen, näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine typische Auslösekennlinie zur Ermittlung der
Grenzwerte des Eingangssignals;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Algorithmus in einem zweiten Mikrokontrollers eines Schutzschalt- gerätes mit einer geschachtelten Kurzschlusserkennung;
Figur 3 die schematische Darstellung eines Schutzschaltge- rätes mit zwei unabhängig arbeitenden Mikrokontrol- lern .
Fig. 1 zeigt, wie schon in der Beschreibungseinleitung ausgeführt, eine typische Auslösekennlinie zur Ermittlung der Grenzwerte des Eingangssignals, d.h. der Eingangsspannung als Abbild des Betriebsstroms eines Verbrauchers. Anhand der Auslösekennlinie kann entschieden werden, ob ein abhängiger verzögerter Überstrom, ein unabhängiger verzögerter Überstrom oder ein unverzögerter Kurzschlussstrom vorliegt. Die drei verschiedenen Szenarien sind in Fig. 1 dargestellt.
Das Schutzschaltgerät ist auf einen sogenannten Einstellstrom (IE) abgestimmt. Dieser entspricht vorteilhafterweise dem Bemessungsstrom (IN) der abgesicherten elektrischen Verbrau- eher. Auf der y-Achse ist die Stromstärke, auf der x-Achse die Zeit zur Auslösung dargestellt. Bei einer Überlast oder einem Kurzschluss steigt die Stromstärke an.
Übersteigt der tatsächlich fließende Strom den Einstellstrom (IE) bzw. den Bemessungsstrom (IN) , wird je nach Zeitdauer und geflossenem Strom durch einen der beiden Mikrokontroller des Schutzschaltgerätes ein Auslösesignal abgesetzt.
Die Ermittlung der Grenzwerte des Eingangssignals wird über die Auslösekennlinie definiert, siehe Fig. 1. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, ist die Auslösekennlinie in drei Bereiche I, II, III unterteilt. Der erste Bereich I stellt den „abhängig verzögerten Überstrombereich" dar. Der tatsächlich fließende Strom liegt in dem ersten Bereich I zwischen dem einfachen und dem 11-fachen Werte der Bemessungsstromstärke (IN) . Bei derartigen Stromstärken darf der Strom noch einige Zeit weiter fließen. Der Stromfluss wird bei derartigen Stromstärken in der Regel nach einiger Zeit unterbrochen, wenn der entsprechende I2t-Wert überschritten ist, um den Verbraucher vor thermischen Schäden zu schützen.
Der dritte Bereich III stellt den „unverzögerter Kurzschluss- bereich" dar. Liegt die aufgetretene Stromstärke über einer Eingangsstromstärke, i. d. R. dem 13-fachen Wert der Bemessungsstromstärke (IN) , SO muss der Verbraucher möglichst schnell vom Netz getrennt werden.
Zwischen dem unverzögerten Kurzschlussbereich III und dem abhängig verzögerten Überstrombereich I liegt der so genannte Übergangsbereich II. Im Übergangsbereich II liegt in diesem Ausführungsbeispiel eine Stromstärke vor, die zwischen dem 11-fachen und dem 13-fachen Wert der Bemessungsstromstärke (IN) liegt.
In der Fig. 2 ist schematisch ein Ablauf der Kurzschlusserkennung in dem zweiten Mikrokontroller 2 eines Schutzschaltgerätes 1 mit einer geschachtelten Kurzschlusserkennung 4 dargestellt. Nach dem Start 20 des zweiten Mikrokontrollers 2 werden bestimmte erforderliche Parameter aus der Hardware 30 des zweiten Mikrokontrollers 2 bzw. des Schutzschaltgerätes 1 eingelesen. Nach einer Vordefinitionsstufe 21 (diese kann entfallen) wird der zweite Mikrokontroller 2 in einer Initia- lisierungsstufe 22 initialisiert und die Phase in der Schalteinheit 23 auf 1 gesetzt. Die verschiedenen Stufen 23-27 sind Teil einer Schleife 5, die dafür sorgt, dass alle Phasen, beispielsweise alle drei Phasen eines Netzes, nacheinander überprüft werden. Nachdem die Phase auf 1 gesetzt ist, wird in einer Zeiteinheit 24 die Zeitfrequenz bestimmt, mit der der Strom bzw. die Spannung abgetastet wird. Stellt der Kom- parator 10 fest, dass ein Fehlerstrom bzw. eine Fehlerspannung vorliegt, schlägt dieser an. D.h., vorteilhafterweise wird softwareseitig der Kurzschlussalgorithmus über einen Komparatorinterrupt ab den 13-fachen Wert der Bemessungsstromgrenze ausgelöst, da der Komparator 10 sehr schnell ist. Der Kurzschlussalgorithmus zeigt nun auf die entsprechende Phase, zunächst Phase 1, und misst den Strom durch die erste Messeinrichtung bzw. den ersten Messalgorithmus 11 nach. Auf Grund der Nachmessung durch die zweite Messeinrichtung bzw. den zweiten Messalgorithmus 13 wird der Störabstand erhöht und die Verfügbarkeit der Anlage sichergestellt. Am zeitauf- wändigsten ist im zweiten Mikrokontroller 2 die Analog-
Digital-Wandlung in den Messeinrichtungen 11, 13. Diese arbeitet mit dem Verfahren der sukzessiven Approximation und ist verhältnismäßig zeitaufwändig. Verzichtet man auf Auflösung, ist es möglich, den Analog-Digital-Wandler schneller zu betreiben, d.h. zu übertakten. Da sehr hohe Ströme, d.h. sehr harte Kurzschlüsse, Werte liefern, welche die Auslöseschwelle extrem übersteigen, kann in diesem Fall zugunsten der damit möglichen kürzeren Messzeit auch auf Auflösung verzichtet werden. Liegen die Messwerte unterhalb einer bestimmten Schwelle (weniger harter Kurzschluss) , muss noch einmal mit höherer Genauigkeit nachgemessen werden. In diesem Fall steht auch etwas mehr Zeit zur Verfügung. D.h., die erste Messeinrichtung bzw. der erste Messalgorithmus 11 misst den Strom nach. In einer ersten Vergleichseinheit 12 wird überprüft, ob der aufgetretene Strom eine höhere Stromstärke aufweist, als eine erste Referenzstromstärke. Die erste Referenzstromstärke ist relativ hoch, beispielsweise liegt sie bei dem 52-fachen Wert der Bemessungsstromstärke. Liegt die gemessene Stromstärke über der ersten Referenzstromstärke wird dies direkt der Auslöseeinheit 15 weitergeleitet, die ein Auslösesignal erzeugt. In einem fremdversorgten System wird in der Schleife 5 eine Phase weitergeschaltet, so dass auch die Stromanteile der nächsten Phase, hier der Phase 2, durch die Kurzschlusserkennung 4 überprüft werden. So können alle Phasen einer Stromleitung nacheinander überprüft und eine gemeinsame Bewertung durchgeführt werden. Stellt die erste Vergleichseinheit 12 fest, dass die Stromstärke, die die erste Messeinrichtung bzw. der erste Messalgorithmus 11 gemessen hat, unter der ersten Referenzstromstärke liegt, so misst die zweite Messeinrichtung bzw. der zweite Messalgorithmus 13 die Stromstärke nochmals, langsamer aber genauer, nach. Liegt die von der zweiten Messeinrichtung bzw. dem zweiten Messalgorithmus 13 gemessene Stromstärke über einer zweiten Referenzstrom- stärke, wird dies der Auslöseeinheit 15 weitergeleitet, die ein Auslösesignal erzeugt. Die zweite Referenzstromstärke ist niedriger als die erste Referenzstromstärke. Vorteilhafterweise liegt die zweite Referenzstromstärke bei dem 13-fachen Wert der Bemessungsstromstärke. Stellt die zweite Vergleichseinheit 14 fest, dass die genauer gemessene Stromstärke unter der zweiten Referenzstromstärke liegt, wird die Auslöseeinheit 15 umgangen, so dass kein Auslösesignal ausgelöst wird. Durch die Schleife 5 wird sichergestellt, dass alle Phasen einer Leitung überprüft werden. Stellt die Kurzschlusserkennung 4 fest, dass in keiner Phase ein Strom mit einer Stromstärke, die über der zweiten Referenzstromstärke liegt, so löst der zweite Mikrokontroller 2 nicht aus.
Parallel zu dem zweiten Mikrokontroller 2 weist das Schutzschaltgerät 1 einen ersten Mikrokontroller 6 auf, der zur Überprüfung einer Überlast ausgelegt ist. Da die Überprüfung auf das Vorliegen einer Überlast nicht so zeitkritisch ist, wie bei einer Kurzschlusserkennung, kann ein anderer Ein- gangsfilter 7 bei der Überlasterkennung im ersten Mikrokontroller 6 eingesetzt werden, als die zweiten Eingangssignalfilter 3 bei der Kurzschlusserkennung 4 des zweiten Mikro- kontrollers 2, siehe Fig. 3.
In derartigen Schutzschaltgeräten kann die Funktion zum betriebsmäßigen Schalten in einem der Mikrokontroller, vorzugsweise in dem ersten Mikrokontroller 6, der für die Überlastauslösung zuständig ist, integriert werden.
Denkbar sind zur Detektion unterstützende Messungen in bestimmten festgelegten Zeitrastern. Sehr harte Kurzschlüsse haben Stromverläufe zur Folge, welche das Delta, d.h. die Differenz zwischen zwei Messungen gleicher Zeitabstände, größer werden lässt, als der typische Signalverlauf im normalen Betriebsverhalten zuließe. Die erfindungsgemäße technische Lösung der Schutzschaltgeräte erlaubt auf die unterschiedlichen Anforderungen der Kurz- schluss- und Überlastauslösung besser einzugehen.
Auf Grund des Vorhandenseins preiswerter, schneller und kleiner Mikrokontroller, muss bei Einsatz von zwei kleineren Mik- rokontrollern 2, 6 gegenüber einem größeren Mikrokontroller nicht zwangsläufig ein ökonomischer Nachteil entstehen. Im Gegenteil, die Mikrokontroller können einfacher und dadurch kostengünstiger ausgebildet sein, da sie lediglich jeweils ein Szenario, Überlast oder Kurzschluss, abdecken müssen.
Die Softwarealgorithmen der Kurzschlussauslösung können entsprechend schnell ausgelegt werden. In eine entsprechende In- terruptroutine kann beim Kurzschlussereignis sofort eingesprungen werden, ohne dass der zweite Mikrokontroller 2 zuvor zu viele Daten und Rücksprungadressen Zwischenspeichern muss. Die Softwarealgorithmen der Überlastauslösungen können parallel weiter arbeiten und die entsprechende Daten (I2t) able- gen. Das wäre z.B. bei einer Fehlauslösung, d.h. der Kompara- tor 10 erkennt einen Kurzschluss, aber die anschließende Nachmessung durch die beiden Messeinrichtungen 11, 13 ist negativ, hilfreich.
Idealerweise ist es nun leicht möglich, die Eingangssignalfilter 3, 7 der Eingangsmessgrößen, insbesondere der Spannung als Abbild des Stromes, unterschiedlich auszulegen. Eine schnellstmögliche Kurzschlusserkennung erfordert Eingangssignalfilter 3, deren Tiefpasscharakter nicht zu stark ausgelegt ist, um steile Flanken im Anstieg möglichst wenig zu bedampfen. Für die Überlastauslösung ist es aber bedeutsam, Fehler der Abtastung, d.h. die Erkennung von fallenden und steigenden Werten, zu vermeiden. Auf Grund des zeitunkritischeren Sachverhalts ist die Filterung schneller Transienten und Oberwellen besser möglich. Daher sind bei dem ersten Mikrokontroller 6, der für die Überlasterkennung zuständig ist, Eingangssignalfilter 7 mit Tiefpasscharakter bzw. Eingangssignalfilter höherer Ordnung vorteilhaft. Auf Grund der Funktionsteilung ergeben sich auch unterschiedliche Messbereiche der Messalgorithmen 11, 13, d.h. insbesondere des Analog-Digital-Wandlers, im zweiten Mikroprozessor 2. Das hat positiv zur Folge, dass die Anforderungen an die Genauigkeit und Auflösung der Messeinrichtungen 11, 13 entsprechend verringert werden können.
Mit der Schachtelung des Kurzschlussalgorithmus ist es mög- lieh, sehr harte Kurzschlüsse, z.B. dem 100-fachen der Bemessungsstromstärke IN, besonders schnell abzuschalten, um mögliche Schäden am angeschlossenen Verbraucher des Schutzschaltgerätes 1 zu vermeiden. Dabei kann in diesem Fall auf Genauigkeit verzichtet werden. Weniger harte Kurzschlüsse, z.B. 15xIN, bei denen etwas mehr Zeit zur Verfügung steht, müssen dann mit höherer Genauigkeit nachgemessen werden.
Die Schachtelung über den Komparatorinterrupt, schnelles Messen und genaueres Messen erlaubt eine schnelle Kurzschlussde- tektion bei gleichzeitig hoher Störsicherheit.

Claims

Patentansprüche
1. Schutzschaltgerät (1) zum Überwachen des elektrischen Stromflusses zu einem elektrischen Verbraucher, aufweisend eine Schaltfunktionalität, eine
Überstromauslösefunktionalität und eine
Kurzschlussauslösefunktionalität , aufweisend einen ersten Mikrokontroller (6) mit einem ersten Eingangssignalfilter (7), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Mikrokontroller (6) zur Überwachung der Überstromauslösefunktionalität ausgebildet ist und dass ein zweiter Mikrokontroller (2) mit einem zweiten Eingangssignalfilter (3) vorgesehen ist, der zur Überwachung der Kurzschlussauslösefunktionalität ausgebildet ist, wobei die beiden Eingangssignalfilter (3, 7) unterschiedlich ausgelegt sind, und dass die
Schaltfunktionalität in einem der beiden Mikrokontroller (2, 6) vorgesehen ist.
2. Schutzschaltgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Mikrokontroller (6) die
Schaltfunktionalität und die Überstromauslösefunktionalität aufweist .
3. Schutzschaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Mikrokontroller (2) einen Komparator (10) und wenigstens zwei dem Komparator (10) nachgeschaltete, nacheinander angeordnete, Messeinrichtungen (11, 13) und Vergleichseinheiten (12, 14) zur Messung der Stromstärke bzw. der Spannung und zum Vergleichen der gemessenen Stromstärke bzw. der Spannung mit
Referenzstromstärken bzw. Referenzspannungen und eine den Messeinrichtungen (11, 13) nachgeschaltete Auslösesignaleinheit (15) aufweist.
4. Schutzschaltgerät (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinrichtung (11) eine geringere Auflösung als die nachgeschaltete zweite Messeinrichtung (13) aufweist.
5. Schutzschaltgerät (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (11) und die zweite Messeinrichtung (13) jeweils einen Analog-Digital-Wandler aufweisen.
6. Schutzschaltgerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler der ersten Messeinrichtung (11) eine 4- bis 8-Bit-Auflösung und der Analog-Digital-Wandler der zweiten Messeinrichtung (13) eine 9- oder 10-Bit-Auflösung aufweist.
7. Schutzschaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefpasscharakter des ersten Eingangssignalfilters (7) des ersten Mikrokontrollers (6) höher ausgelegt ist als der Tiefpasscharakter des zweiten Eingangssignalfilters (3) des zweiten Mikrokontrollers (2) .
8. Schutzschaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät (1) ein
Mehrfunktionsniederspannungsschaltgerät oder ein Leistungsschalter mit elektronischem Überstromschutz ist.
9. Verfahren zur Überwachung des elektrischen Stromflusses zu einem elektrischen Verbraucher durch ein Schutzschaltgerät
(1), bei dem ein erster Eingangssignalfilter (7) eines ersten Mikrokontrollers (6) den Signalverlauf des Stromflusses bzw. der Spannung überwacht und bei dem der erste Mikrokontroller (6) bei Feststellung einer Überlast ein Fehlersignal und/oder ein Auslösesignal erzeugt, und bei dem ein zweiter
Eingangssignalfilter (3) eines zweiten Mikrokontrollers (2) den Signalverlauf des Stromflusses bzw. der Spannung überwacht und bei dem der zweite Mikrokontroller (2) bei Feststellung eines Kurzschlusses ein Auslösesignal erzeugt, wobei die beiden Eingangssignalfilter (3, 7) unterschiedlich ausgelegt sind und wobei der Stromfluss nach Erzeugung eines Auslösesignals unterbrochen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Mikrokontroller (2) einen integrierten Komparator
(10) benutzt, der den Signalverlauf des Stromflusses bzw. den Spannungsverlauf überwacht, und dass bei Überschreitung einer Eingangsstromstärke bzw. Eingangsspannung eine erste, dem Komparator (10) nachgeschaltete Messeinrichtung (11) die Stromstärke nachmisst und mit einer ersten Referenzstromstärke vergleicht, und dass bei Feststellung, dass die gemessene Stromstärke die erste Referenzstromstärke überschreitet, die erste Messeinrichtung (11) dem zweiten Mikrokontroller (2) ein Signal zum Erzeugen eines Auslösesignals weiterleitet, oder dass bei Feststellung, dass die gemessene Stromstärke die erste Referenzstromstärke nicht überschreitet, die erste Messeinrichtung (11) einer nachgeschalteten zweiten
Messeinrichtung (13) ein Signal weiterleitet, so dass die zweite Messeinrichtung (13) die Stromstärke nochmals nachmisst und mit einer zweiten Referenzstromstärke vergleicht, wobei bei Feststellung, dass die gemessene Stromstärke die zweite Referenzstromstärke überschreitet, die die zweite Messeinrichtung (13) dem zweiten Mikrokontroller (2) ein Signal zum Erzeugen eines Auslösesignals weiterleitet, oder dass bei Feststellung, dass die gemessene Stromstärke die zweite Referenzstromstärke nicht überschreitet, die zweite Messeinrichtung (13) kein Signal zum Erzeugen eines Auslösesignals an den zweiten Mikrokontroller (2) weiterleitet.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 oder 10 gemäß einem Schutzschaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Messalgorithmus der ersten Messeinrichtung (11) mit einer geringeren Auflösung misst, als ein nachgeschalteter zweiter Messalgorithmus der zweiten Messeinrichtung (13) .
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (11) und der zweite Messalgorithmus (13) jeweils eine Analog-Digital-Wandlung benutzen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Analog-Digital-Wandlung des ersten Messalgorithmus eine 4- bis 8-Bit-Auflösung und die Analog- Digital-Wandlung des zweiten Messalgorithmus eine 9- oder 10- Bit-Auflösung benutzen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Messalgorithmen den Anstieg, d. h. ein sog. Delta, des Stromes benutzt, um ein Kurzschlussereignis sicher zu detektieren.
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