WO2023052105A1 - Schutzschaltgerät und verfahren - Google Patents

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WO2023052105A1
WO2023052105A1 PCT/EP2022/075225 EP2022075225W WO2023052105A1 WO 2023052105 A1 WO2023052105 A1 WO 2023052105A1 EP 2022075225 W EP2022075225 W EP 2022075225W WO 2023052105 A1 WO2023052105 A1 WO 2023052105A1
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WO
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unit
voltage
low
switching device
electronic
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/075225
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marvin TANNHÄUSER
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to EP22777619.2A priority patent/EP4377984A1/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

Definitions

  • the invention relates to the technical field of a protective switching device for a low-voltage circuit with an electronic interrupting unit and a method for a protective switching device for a low-voltage circuit with an electronic interrupting unit.
  • low voltage voltages of up to 1000 volts AC or up to 1500 volts DC.
  • Low voltage refers in particular to voltages that are greater than extra-low voltage, with values of 50 volts AC or 120 volts DC, are .
  • Low-voltage circuit or network or system are circuits with rated currents or Rated currents of up to 125 amps, more specifically up to 63 amps.
  • Low-voltage circuits are circuits with rated currents or Rated currents of up to 50 amps, 40 amps, 32 amps, 25 amps, 16 amps or 10 amps are meant.
  • the current values mentioned mean in particular nominal, rated and/or cut-off currents, i.e. H . the maximum current that is normally conducted through the circuit or where the electrical circuit is usually interrupted, for example by a protective device such as a protective switching device, miniature circuit breaker or circuit breaker.
  • the rated currents can be scaled further, from 0.5 A to 1 A, 2 A, 3 A, 4 A, 5 A, 6 A, 7 A, 8 A, 9 A, 10 A, etc . up to 16 A.
  • Miniature circuit breakers have long been known overcurrent protection devices that are used in electrical installation technology in low-voltage circuits. These protect lines from damage caused by heating due to excessive current and/or short circuits.
  • a circuit breaker can switch off the circuit in the event of an overload and/or Switch off short circuit automatically.
  • a circuit breaker is a non-automatically resetting safety element.
  • circuit breakers In contrast to miniature circuit breakers, circuit breakers are intended for currents greater than 125 A, sometimes even from 63 amperes. Miniature circuit breakers are therefore simpler and more filigree in construction. Miniature circuit breakers usually have a mounting option for mounting on a so-called top-hat rail (mounting rail, DIN rail, TH35).
  • Miniature circuit breakers are built electromechanically. In a housing, they have a mechanical switching contact or Shunt trip for interrupting (tripping) the electrical current on .
  • a bimetallic protective element or Bimetallic element used for tripping (interruption) in the event of prolonged overcurrent (overcurrent protection) or in the event of thermal overload (overload protection).
  • An electromagnetic release with a coil is used for short-term release when an overcurrent limit value is exceeded or used in the event of a short circuit (short circuit protection).
  • One or more arc quenching chamber(s) or Arc extinguishing devices are provided. Furthermore, connection elements for conductors of the electrical circuit to be protected.
  • Protective switching devices with an electronic interrupting unit are relatively new developments. These have a semiconductor-based electronic interruption unit. D. H . the flow of electrical current in the low-voltage circuit is routed via semiconductor components or semiconductor switches, which interrupt or switch off the flow of electrical current. can be switched to be conductive.
  • Protective switching devices with an electronic interruption unit also often have a mechanical isolating contact system, in particular with isolating properties in accordance with relevant standards for low-voltage circuits, the contacts of the mechanical isolating contact system are connected in series with the electronic interrupting unit, ie the current of the low-voltage circuit to be protected is routed both via the mechanical isolating contact system and via the electronic interrupting unit.
  • the present invention relates in particular to low-voltage AC circuits with an AC voltage, usually with a time-dependent sinusoidal AC voltage with the frequency f.
  • a harmonic AC voltage can be represented by rotating a pointer whose length corresponds to the amplitude (U) of the voltage.
  • the instantaneous deflection is the projection of the pointer onto a coordinate system.
  • a period of oscillation corresponds to a full revolution of the pointer and its full angle is 2n (2Pi) or 360°.
  • the angular frequency is the rate of change of the phase angle of this rotating phasor.
  • the angular frequency of a harmonic oscillation is always 2n times its frequency, i.e.:
  • the time-dependent value from the angular velocity M and the time t corresponds to the time-dependent angle cp(t), which is also referred to as the phase angle cp(t).
  • the object of the present invention is to improve a protective switching device of the type mentioned above, in particular to improve the safety of such a protective switching device or to achieve greater safety in the electrical low-voltage circuit to be protected by the protective switching device.
  • a protective switching device for protecting an electrical low-voltage circuit, in particular a low-voltage alternating current circuit, having: a housing with at least one mains-side connection and one load-side connection, - a mechanical isolating contact unit, which is connected in series with an electronic interrupting unit, the mechanical isolating contact unit being assigned to the load-side connection and the electronic interrupting unit to the mains-side connection,
  • the mechanical isolating contact unit can be switched by opening contacts to avoid a current flow or by closing the contacts for a current flow in the low-voltage circuit
  • the electronic interruption unit can be switched by semiconductor-based switching elements to a high-impedance state of the switching elements to avoid current flow or a low-impedance state of the switching elements to current flow in the low-voltage circuit
  • a control unit which is connected to the current sensor unit, the mechanical isolating contact unit and the electronic interrupter unit, wherein when current and/or current time limit values are exceeded, avoidance of a current flow in the low-voltage circuit is initiated.
  • a measuring impedance is provided between two conductors of the low-voltage circuit.
  • the measuring impedance is connected to the connection between the mechanical isolating contact unit and the electronic interruption unit.
  • the measurement impedance is connected to the other conductor. Especially with the other conductor on the mains-side connection.
  • the protective switching device is designed according to the invention such that the electronic interrupting unit (EU) is switched to a low-impedance state for a first period of time for functional testing of the protective switching device when the contacts of the mechanical isolating contact unit are open and the electronic interrupting unit is switched to high resistance.
  • the electronic interruption unit is starting from the high-impedance state for a first period of time in the switched to the low-impedance state and is then again in the high-impedance state.
  • the first period of time can be in the range of 100 ps to 1 s.
  • a voltage change can be detected for a functional test. With periods of 20 ms to 100 ms or 1 second, it can be checked (repeatedly) whether there is a voltage of about 0 V (instantaneous or then also the effective value of the voltage) across the electronic interruption unit.
  • the protective switching device is designed in such a way that (for one conductor) the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit can be determined.
  • the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit is determined when the electronic interruption unit is switched (action) for the first period of time into the low-impedance state. If a second voltage threshold value is exceeded, a second error condition is present, so that another or subsequent low resistance of the electronic interruption unit is avoided and/or closing of the contacts is avoided. (Ie . if the voltage falls below the second threshold value, there is no error condition.)
  • the first voltage threshold should preferably be less than 1
  • the first voltage threshold can be between 0 volts (or greater than 0 volts) and smaller (e.g. 10% smaller) than the
  • the protective switching device is designed in such a way that when the contacts of the mechanical isolating contact unit are open, the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit is determined when the electronic interruption unit is switched to high resistance. If the voltage falls below a first threshold value, a first fault condition is present, so that the electronic interrupter unit is prevented from becoming low-impedance (possibly again or for the first time) and/or the contacts are prevented from closing. (i.e. if the first voltage threshold is exceeded, there is no error condition.)
  • the first voltage threshold could be an rms/mean/rms value of the AC voltage.
  • the first voltage threshold could be an instantaneous value of the voltage. The comparison can be made using effective values or instantaneous values over time.
  • the first voltage threshold is, for example, advantageously 5-15% of the nominal or applied voltage of the low-voltage circuit, for example 10%. This applies both to effective values and to instantaneous values of the AC voltage, depending on the type of comparison selected. For example, at specific points in time of the instantaneous value of the AC voltage can be measured. Z. B. at the moment when the instantaneous value of the AC voltage is +300 V or -300 V.
  • closing of the contacts of the mechanical isolating contact unit is avoided when one (of the two) error condition is present.
  • no release signal (enable) is sent to the mechanical isolating contact unit.
  • D. H it is not possible to close the contacts of the mechanical isolating contact unit using a handle.
  • the electronic interruption unit can be prevented from becoming low-impedance.
  • the protective switching device can also be designed in such a way that further refinements are provided:
  • An, in particular single-pole, electronic interruption unit with a network-side connection point which is electrically connected to the network-side phase conductor connection, and a load-side connection point which is connected to a network-side connection point of the mechanical isolating contact unit, the electronic interruption unit being in a high-impedance state due to semiconductor-based switching elements has the switching elements to avoid current flow or a low-impedance state of the switching elements for current flow in the low-voltage circuit,
  • a control unit which is connected to the current sensor unit, the mechanical isolating contact unit and the electronic interrupter unit, wherein when current and/or current time limit values are exceeded, avoidance of a current flow in the low-voltage circuit is initiated.
  • the magnitude of the voltage between the network-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 for this purpose. If there are several voltage sensor units, these are connected to the control unit.
  • the functional capability of the electronic interruption unit can be determined by determining the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit. According to the invention, increased operational reliability of a protective switching device is thus achieved. Further will a new architecture or Structural design of a protective switching device proposed.
  • a first voltage sensor unit connected to the control unit which determines the magnitude of a/the first voltage across the electronic interruption unit, in particular between the grid-side connection point and the load-side connection point of the electronic interruption unit.
  • a second voltage sensor unit connected to the control unit is alternatively provided, which determines the level of a second voltage between the network-side neutral conductor connection and the network-side phase conductor connection. Furthermore, a third voltage sensor unit connected to the control unit is provided, which determines the magnitude of a third voltage between the neutral conductor connection on the network side and the connection point of the electronic interruption unit on the load side.
  • the protective switching device is designed in such a way that the level of a/the first voltage between the network-side connection point and the load-side connection point of the electronic interruption unit is determined from the difference between the second and third voltage.
  • the current sensor unit is provided on the circuit side between the line-side phase conductor connection and the load-side phase conductor connection.
  • the device is compactly divided into two, with an electronic Interruption unit in the phase conductor together with a current sensor unit on the one hand and a continuous neutral conductor on the other. Furthermore, with a current sensor unit in the phase conductor, more extensive monitoring of currents is achieved both in the circuit itself and in the case of ground fault currents.
  • a measuring impedance is connected in particular between the mains-side connection points of the mechanical isolating contact unit.
  • the measuring impedance is an electrical resistance and/or capacitor, i. H . a single element or a series or Parallel connection of two elements .
  • the measuring impedance should have a high resistance value or Have an impedance value in order to keep the losses low.
  • resistance values of more than 100 KOhm, better 1 MOhm, 2 MOhm, 3 MOhm, 4 MOhm or 5 MOhm, should be provided, especially more than 5 MOhm.
  • a measuring resistor e.g. B. 1 MOhm to about 50 mW losses.
  • the low-voltage circuit is a three-phase alternating current circuit.
  • the protective switching device has several or further line-side and load-side phase conductor connections to protect the phases of the electrical circuit. Between each of the line-side and load-side phase conductor connections, there is in each case an electronic interruption unit with voltage determination according to the invention, in particular first voltage sensor units.
  • a contact of the mechanical isolating contact unit is provided between each of the line-side and load-side phase conductor connections. This has the particular advantage of providing protection for three phase AC circuits.
  • the protective switching device is designed in such a way that the contacts of the mechanical isolating contact unit can be opened by the control unit, but cannot be closed.
  • the mechanical isolating contact unit can be operated by a mechanical handle in order to switch an opening of contacts or a closing of the contacts.
  • the mechanical isolating contact unit is designed in such a way that the contacts can only be closed by the mechanical handle after a release (enable), in particular a release signal.
  • an energy supply is provided, in particular for the control unit, which is connected to the grid-side neutral conductor connection and the grid-side phase conductor connection.
  • a fuse in particular a fuse, is provided in the connection to the network-side neutral conductor connection.
  • the measurement impedance can advantageously be connected to the line-side neutral conductor connection via the fuse.
  • control unit has a microcontroller.
  • a corresponding method for a protective switching device for a low-voltage circuit with electronic (semiconductor-based) switching elements with the same and additional advantages is claimed.
  • the method for a circuit breaker protecting a low voltage electrical circuit comprising:
  • the mechanical isolating contact unit can be switched by opening contacts to avoid a current flow or by closing the contacts for a current flow in the low-voltage circuit
  • the electronic interruption unit can be switched by semiconductor-based switching elements to a high-impedance state of the switching elements to avoid current flow or a low-impedance state of the switching elements to current flow in the low-voltage circuit
  • measuring impedance is provided between two conductors of the low-voltage circuit, the measuring impedance being connected on the one hand to the connection between the mechanical isolating contact unit and the electronic interruption unit.
  • the electronic interruption unit is switched to a low resistance state for a first period of time.
  • the measurement time it can be determined whether a first semiconductor-based switching element (for a first voltage polarity) or a second semiconductor-based switching element (for a second voltage polarity) is tested.
  • the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit is determined. If a/the second voltage threshold value is exceeded, a second error condition is present, so that the electronic interruption unit is prevented from becoming further low-impedance and/or the contacts are prevented from closing.
  • the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit can also be determined. If the voltage falls below a/the first threshold value, a first fault condition is present, so that the electronic interruption unit is prevented from becoming low-impedance and/or the contacts are prevented from closing.
  • the computer program product includes instructions which, when the program is executed by a microcontroller, cause the microcontroller to improve or increase the safety of such a protective switching device. to achieve greater safety in the electrical low-voltage circuit to be protected by the protective switching device.
  • the microcontroller is part of the protective switching device, in particular the control unit.
  • a corresponding computer-readable storage medium on which the computer program product is stored is claimed.
  • Figure 1 is a first representation of a protective switching device
  • Figure 2 shows a second representation of a protective switching device
  • FIG. 3 shows a third representation of a protective switching device with first voltage curves
  • FIG. 4 shows a fourth representation of a protective switching device with second voltage curves
  • FIG. 5 shows a fifth representation of a protective switching device.
  • FIG. 1 shows a representation of a protective switching device SG for protecting an electrical low-voltage circuit, in particular a low-voltage alternating current circuit, with a housing GEH, comprising:
  • the load-side connection points APNL, APLL are connected to the load-side neutral and phase conductor connections NL, LL, so that opening of contacts KKN, KKL to avoid current flow or closing of the contacts for current flow in the low-voltage circuit can be switched,
  • electronic interruption unit EU (which is arranged in particular in the phase conductor in the case of a single-pole design) with a grid-side connection point EUG, which is electrically connected to the grid-side phase conductor connection LG, and a load-side connection point EUL, which is connected to the grid-side Connection point APLG of the mechanical isolating contact unit MK is electrically connected or. is connected, wherein the electronic interruption unit has or has a high-impedance state of the switching elements to avoid a current flow or a low-impedance state of the switching elements to current flow in the low-voltage circuit by semiconductor-based switching elements. is switchable,
  • a current sensor unit S I for determining the level of the current of the low-voltage circuit, which is arranged in particular in the phase conductor,
  • a control unit SE which is connected to the current sensor unit SI, the mechanical isolating contact unit MK and the electronic interruption unit EU is connected, wherein when current and / or current time limit values are exceeded, avoidance of a current flow in the low-voltage circuit is initiated.
  • the protective switching device is designed in such a way that the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit can be determined.
  • D. H the level of a first voltage between the grid-side connection point EUG and the load-side connection point EUL of the electronic interruption unit EU can be determined or is determined .
  • a first voltage sensor unit SUI connected to the control unit SE is provided in the example according to FIG.
  • the voltage across the series connection of electronic interruption unit EU and current sensor S I can alternatively also be determined, as shown in FIG.
  • the current sensor unit S I has a very low internal resistance, so that the determination of the level of the voltage is not affected or is only negligibly affected.
  • a measuring impedance ZM is also connected between the network-side connection points APLG, APNG of the mechanical isolating contact unit MK.
  • the measuring impedance ZM can be an electrical resistor and/or capacitor, for example.
  • the measuring impedance can also be an inductance.
  • the measurement impedance can be a series connection or parallel connection of a resistor and/or capacitor and/or inductance.
  • a second voltage sensor unit SU2 can be provided, which determines the magnitude of the voltage between the line-side neutral conductor connection NG and the line-side phase conductor connection LG.
  • the first voltage sensor unit can also be replaced by using two voltage measurements (before the electronic interrupting unit and after the electronic interrupting unit). The voltage across the electronic interruption unit is determined by forming a difference.
  • A/the second voltage sensor unit SU2 connected to the control unit SE can be provided, which determines the level of a second voltage between the network-side neutral conductor connection (NG) and the network-side phase conductor connection (LG).
  • 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 network-side neutral conductor connection NG and the load-side connection point EUL of the electronic interruption unit EU.
  • the protective switching device is designed in such a way that the level of a/the first voltage between the grid-side connection point EUG and the load-side connection point EUL of the electronic interruption unit EU is determined from the difference between the second and third voltage.
  • the electronic interruption unit EU has a single-pole design, in the example in the phase conductor.
  • the line-side connection point APNG for the neutral conductor of the mechanical isolating contact unit MK is connected to the line-side neutral conductor connection NG of the housing GEH.
  • the protective switching device SG is advantageously designed in such a way that the contacts of the mechanical isolating contact unit MK can be opened by the control unit SE but not closed, which is indicated by an arrow from the control unit SE to the mechanical isolating contact unit MK.
  • the mechanical isolating contact unit MK can be operated by a mechanical handle HH on the protective switching device SG in order to open or close the contacts manually KKL, KKN to switch.
  • the mechanical handle HH indicates the switching status (open or closed) of the contacts of the mechanical isolating contact unit MK.
  • the contact position (or the position of the handle, closed or open) can be transmitted to the control unit SE.
  • the contact position (or the position of the handle) can be determined, for example, using a sensor.
  • the mechanical isolating contact unit MK is advantageously designed in such a way that a (manual) closing of the contacts by the mechanical handle is only possible after a release (enable), in particular an enable signal. This is also indicated by the arrow from the control unit SE to the mechanical isolating contact unit MK. i.e.
  • the contacts KKL, KKN of the mechanical isolating contact unit MK can only be closed by the handle HH when the release or the release signal (from the control unit) is present. Although the handle HH can be actuated without the release or the release signal, the contacts cannot be closed ("permanent slipping").
  • the protective switching device SG has an energy supply NT, for example a power pack.
  • the power supply NT is provided for the control unit SE, which is indicated in FIG. 1 by a connection between the power supply NT and the control unit SE.
  • the power supply NT is (on the other hand) connected to the line-side neutral conductor connection NG and the line-side phase conductor connection LG.
  • a fuse SS in particular a fuse, can advantageously be provided in the connection to the network-side neutral conductor connection NG (or/and phase conductor connection LG).
  • the measuring impedance ZM can be connected to the line-side neutral conductor connection NG via the fuse SS.
  • a three-pole electronic unit EE (FIG. 5) can thus advantageously be implemented, for example as a module, the three Having connection points, a neutral connection point and two phase connection points.
  • the electronics unit EE has, for example, the electronic interruption unit EU, the control unit SE, the power supply NT (particularly including fuse SS), the current sensor unit SI, the first voltage sensor unit SUI and optionally the second voltage sensor unit SU2.
  • the low-voltage circuit can be a three-phase AC circuit, with a neutral conductor and three phase conductors.
  • the protective switching device can be designed as a three-phase variant and can have, for example, further line-side and load-side phase conductor connections.
  • inventive electronic interruption units and voltage determination devices e.g. by means of first voltage sensor units
  • contacts of the mechanical isolating contacts unit are provided.
  • the measuring impedance ZM should have a very high value (resistance or impedance value) in order to keep losses low. For example, with a resistor with a value of z. B. 1 MOhm . A value of 1 MOhm results in losses of about 50 mW in a 230 V low voltage circuit.
  • the measuring impedance should advantageously be greater than 100 KOhm.
  • High resistance means a state in which only a negligible current flows.
  • resistance values greater than 1 kilohm, more preferably greater than 10 kilohms, 100 kilohms, 1 megohm, 10 megohms, 100 megohms, 1 gigaohm, or greater.
  • Low-impedance means a condition in which the current value specified on the protective switching device could flow.
  • low-impedance means resistance values that are less than 10 ohms, better less than 1 ohm, 100 milliohms, 10 milliohms, 1 milliohm or less.
  • FIG. 2 shows an illustration according to FIG. 1, with the difference that an energy source EQ with a nominal voltage U N of the low-voltage circuit is connected to the network side GRID. Furthermore, on the load side LOAD a consumer or Energy sink ES is connected.
  • a release signal enable is drawn in at the connection of the control unit SE to the mechanical isolating contact unit MK.
  • the mechanical isolating contact unit MK is shown in an open state OFF, i. H . with open contacts KKN, KKL to avoid current flow.
  • the protective switching device SG works, for example, in principle such that when the contacts of the mechanical isolating contact unit and low-impedance interrupting unit and
  • FIG. 3 shows a representation according to FIG. 2, with various differences. The voltages on and in the protective switching device are shown in more detail:
  • the first voltage Ul (or U sw ) is measured directly across the electronic interruption unit (ie without a current sensor unit SI).
  • the second voltage U2 (or U N , GND ) corresponds to the mains voltage U L N minus the (minimum) voltage drop across the current sensor unit SI and the ohmic losses.
  • a detail of the electronic interruption unit EU is also shown, with the (single-pole) electronic interruption unit EU having semiconductor-based switching elements TI, T2.
  • the (single-pole) electronic interruption unit EU having semiconductor-based switching elements TI, T2.
  • two series-connected semiconductor-based switching elements TI, T2 are provided.
  • An overvoltage protection device TVS is advantageously provided above the series connection of the two semiconductor-based switching elements TI, T2.
  • two unidirectional electronic switching elements are connected in series.
  • the first unidirectional switching element is arranged so that it can be switched in a first current direction and the second unidirectional switching element is arranged so that it can be switched in the opposite current direction, with the unidirectional switching elements being conductive in the opposite direction to their current switching direction (directly or indirectly, e.g. through internal or external diodes connected in parallel).
  • the protective switching device is designed in such a way that the first and the second switching element can be switched independently of one another.
  • the check in the OFF state of the electronic protection device should be considered.
  • the mechanical isolating contact unit is open (contacts open)
  • the electronic interruption unit is switched off (semiconductor-based switching elements have high resistance)
  • the control unit (incl. controller unit) is active
  • the electrical potential between the electronic interruption unit and the mechanical isolating contact unit is defined by the measuring impedance ZM and the impedance of the electronic interruption unit when switched off (voltage divider).
  • the control unit can now switch on the semiconductor-based switching elements (which of the two semiconductors is active?) at any point in time (and thus at a specific voltage distribution (depending on the instantaneous value of the voltage, half-wave of the voltage). Taking into account the polarity of the AC voltage or AC voltage the switching elements of the electronic interruption unit EU can be tested with this.
  • the electronic interruption unit EU (or the electronic switch) is thus switched on for a very short time (in the millisecond range), for example. If the electronic interruption unit is functional, this can be determined by the (simultaneous) voltage measurement (e.g. first voltage sensor unit, second voltage sensor unit) and (subsequent) evaluation. For example, in the case of a defective semiconductor-based switching element, it can be determined whether it always remains switched on (fault pattern: "alloyed through”) or always off (fault pattern: "burned out”).
  • a (first) enable condition for switching on the protective switching device specifically the electronic interrupting unit or the mechanical isolating contact unit .
  • the protective switching device is designed in such a way that when the contacts of the mechanical isolating contact unit MK are open and the electronic interruption unit EU is switched to high resistance, the magnitude of the voltage across the electronic interruption unit, i. H . the first voltage Ul is determined. If the voltage falls below a first threshold value, a first fault condition is present, so that the electronic interruption unit is prevented from becoming low-impedance and/or the contacts are prevented from closing.
  • a release signal enable is not emitted by the control unit SE to the mechanical isolating contact unit MK.
  • the voltage curves for a fault-free state of the electronic interruption unit EU are shown in the first upper graphic NORM.
  • the first voltage threshold should be based on the size of the measuring impedance. The first For example, the voltage threshold should be slightly smaller than the nominal voltage minus the voltage drop across the measuring impedance. If the first voltage Ul is greater than the first voltage threshold value, then there is a fault-free electronic interruption unit EU.
  • the evaluation can be based on the instantaneous values of the voltage as well as on the effective values of the voltage.
  • first voltage U1 is greater than the first voltage threshold value, there is consequently a first release condition, as a result of which the electronic interruption unit may become low-resistance and/or the contacts of the mechanical isolating contacts unit may be closed.
  • This is shown in FIG. 3 by an arrow labeled enable, from the control unit SE to the mechanical isolating contact unit MK, for releasing the closing of the contacts of the mechanical isolating contact unit MK by the handle HH.
  • connection or the arrow from the control unit SE to the electronic interruption unit EU shows a progression of the switching state of the electronic interruption unit over time, in which a switched-off/high-impedance state is off and a switched-on/low-impedance state of the electronic interruption unit EU is on is marked .
  • the electronic interruption unit EU is in the switched-off state off, which is represented by a straight line next to 'off'.
  • 'TI is "shorten"'
  • the voltage curve for a defective electronic interruption unit EU is shown, in which in the example a semiconductor-based switching element, in the example the switching element TI, is constantly conductive (alloyed through/short-circuited). This causes a flow in a Half-wave of the electrical voltage, a current flows through the electronic interruption unit, although this is actually (should be) high-impedance.
  • the conductivity in the current direction affected by the semiconductor-based switching element concerned prevents the build-up of a voltage across the semiconductor-based one concerned switching element .
  • D. H . the magnitude of the first voltage Ul cannot exceed the first voltage threshold value, which can be determined by means of the first voltage sensor unit SUI in conjunction with the control unit SE. This is indicated in FIG. 3 by the abbreviation DT.
  • the second and third graphics show an error state of the electronic interruption unit EU, which according to the invention can be found when the contacts of the mechanical isolating contact unit and low-resistance interruption unit are closed before the contacts of the mechanical isolating contact unit are closed and which prevents manual closing of the contacts of the mechanical isolating contact unit.
  • FIG. 3 shows an overview of the circuit diagram and voltage curves in the event that a switching element in the electronic interruption unit is defective, in this case alloyed through/short-circuited. Since unidirectionally blocking power semiconductors are typically used, the functionality of the semiconductor-based switching element TI or T2 can be tested depending on the applied voltage polarity. If an AC voltage is present at the terminals of a functional protective switching device, a voltage Ul or . Etc, which can be determined via a corresponding first voltage sensor unit SUI. This is illustrated in the NORM graph above. If one of the two switching elements is broken down, the voltage can no longer be picked up by the electronic interruption unit. The measured voltage becomes zero here for a certain period of time (approx. 5ms).
  • FIG. 4 shows an illustration according to FIG. 3 with the difference that the electronic interruption unit EU is briefly switched on and off. This is indicated by a square-wave signal with regard to the states off on at the connection between the control unit SE and the electronic interruption unit EU.
  • FIG. 3 On the right-hand side of FIG. 4, three graphics according to FIG. 3 are again shown. Shown are voltage curves in the event that a switching element in the electronic interruption unit is defective, in this case it is burnt out/open. Since unidirectionally blocking power semiconductors are typically used, switching element TI or T2 can be tested for functionality depending on the voltage polarity applied.
  • a voltage Ul or . Etc which can be measured via a corresponding voltage measurement (first voltage sensor unit SUI). This is illustrated in the "Health" histories above.
  • a short switch-on pulse is given, first period of time. If one of the two switching elements contained is burnt out, the switching element can no longer be switched on by the electronic interruption unit. The measured voltage then always remains the same as in the switched-off state, even when the device is switched on. This is shown in the middle graphic 'TI is "open"'' and the bottom graphic 'T2 is "open”'. This allows measuring and the detection of a defective switching element. D. H .
  • the protective switching device is designed in such a way that when the contacts of the mechanical isolating contact unit MK are open and the electronic interruption unit EU is switched to high resistance, the electronic interruption unit EU is switched to a low resistance state for a first period of time, and the level of the voltage across the electronic interruption unit is determined.
  • the protective switching device is advantageously designed in such a way that the contacts of the mechanical isolating contact unit MK are prevented from closing when a fault condition is present. In particular, no release signal (enable) is sent to the mechanical isolating contact unit MK.
  • FIG. 5 shows an illustration according to FIGS. 1 to 4, with the difference that the protective switching device is constructed in two parts. It contains an electronic first part EPART, for example on a printed circuit board.
  • the first part EPART can have the control unit SE, the first voltage sensor unit SUI, the second voltage sensor unit SU2, the current sensor unit SI, the electronic interruption unit EU, the power supply NT.
  • the first part can have the fuse SS, a switch SCH, the measuring impedance ZM, a temperature sensor TEM (in particular for the electronic interruption unit EU), a communication unit COM, a display unit DISP.
  • the first part EPART has only three connections :
  • the protective switching device contains a particularly mechanical second part MPART.
  • the second part MPART can have the mechanical isolating contact unit MK, the handle HH, a release unit FG. Furthermore, the second part can have a position unit POS, for reporting the position of the contacts of the mechanical isolating contacts unit MK to the control unit, as well as the (neutral conductor) connection(s). Further units, not specified in detail, can be provided.
  • a compact protective switching device according to the invention can advantageously be implemented as a result of the division into two.
  • the release unit FG causes the actuation of the contacts of the mechanical isolating contact unit to be released by the handle HH when a release signal enable is present, see FIG.
  • z. B. can be determined in the switched-on state, whether e.g. B. a semiconductor component has burned out.
  • a first voltage sensor unit/voltage measuring unit across the electronic interrupting unit is proposed in order to determine the voltage across the electronic interrupting unit.
  • a third voltage sensor unit can be provided in parallel with the second voltage sensor unit. H . between the electronic interruption unit and the mechanical isolating contact contact unit is provided, this being connected on the one hand to the phase conductor and on the other hand to the neutral conductor.
  • the first voltage can be determined from the differential formation of the voltages between the second and third voltage sensor units. In this case, the first voltage sensor unit can be omitted.
  • An additional measurement impedance is proposed, which is attached between the two conductors/current paths (phase conductor L and neutral conductor N) in order to define the electrical potential between the electronic interruption unit EU and the mechanical isolating contact unit for measurement purposes (no "floating" potential.)
  • the control unit SE can (for this purpose) have a microcontroller.
  • the computer program product can be executed on the microcontroller.
  • the computer program product includes instructions which, when the program is executed by the microcontroller, cause the microcontroller to control the protective switching device, in particular to support the method according to the invention, in particular to carry it out.
  • the computer program product can be stored on a computer-readable storage medium, such as a CD-ROM, a USB stick or the like.
  • a data carrier signal that transmits the computer program product can exist.
  • a mechanical isolating contact unit is proposed, which cannot be switched on as long as the control unit does not send an “enable” release signal.
  • the point in time for switching the semiconductor-based switching elements depends on the polarity of the mains voltage that is currently present, so that individual switching elements can be checked in a targeted manner. Furthermore, the instantaneous value of the voltage can be taken into account when selecting the point in time.
  • the first period of time very short to short, 10 ps to 1 s,
  • the first voltage threshold 5-10% of the effective value / RMS value of the nominal voltage or . applied AC voltage or the instantaneous value of the AC voltage; e.g. B. 10-20V,
  • the second voltage threshold less than 1 volt

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis mit: - einem Gehäuse mit mindestens einem netzseitigen Anschluss und einem lastseitigen Anschluss, - einer mechanische Trennkontakteinheit, die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet ist, wobei die mechanische Trennkontakteinheit dem lastseitigen Anschluss und die elektronische Unterbrechungseinheit dem netzseitigen Anschluss zugeordnet ist, - dass die Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis, insbesondere zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und lastseitigen Phasenleiteranschluss, ermittelt wird, dass bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird, - dass zwischen zwei Leitern des Niederspannungsstromkreises eine Messimpedanz vorgesehen ist, wobei die Messimpedanz einerseits mit der Verbindung zwischen mechanischer Trennkontakteinheit und elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) verbunden ist, - dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geöffneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit die elektronische Unterbrechungseinheit für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird.

Description

Beschreibung
Schutzschaltgerät und Verfahren
Die Erfindung betri f ft das technische Gebiet eines Schutz- schaltgerätes für einen Niederspannungsstromkreis mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit und ein Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit .
Mit Niederspannung sind Spannungen von bis zu 1000 Volt Wechselspannung oder bis zu 1500 Volt Gleichspannung gemeint . Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen gemeint , die größer als die Kleinspannung, mit Werten von 50 Volt Wechselspannung bzw . 120 Volt Gleichspannung, sind .
Mit Niederspannungsstromkreis bzw . -netz oder -anlage sind Stromkreise mit Nennströmen bzw . Bemessungsströmen von bis zu 125 Ampere , spezi fischer bis zu 63 Ampere gemeint . Mit Niederspannungsstromkreis sind insbesondere Stromkreise mit Nennströmen bzw . Bemessungsströmen von bis zu 50 Ampere , 40 Ampere , 32 Ampere , 25 Ampere , 16 Ampere oder 10 Ampere gemeint . Mit den genannten Stromwerten sind insbesondere Nenn- , Bemessungs- oder/und Abschalt-Ströme gemeint , d . h . der Strom der im Normal fall maximal über den Stromkreis geführt wird bzw . bei denen der elektrische Stromkreis üblicherweise unterbrochen wird, beispielsweise durch eine Schutzeinrichtung, wie ein Schutzschaltgerät , Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter . Die Nennströme können sich weiter staf feln, von 0 , 5 A über 1 A, 2 A, 3 A, 4 A, 5 A, 6 A, 7 A, 8 A, 9 A, 10 A, usw . bis 16 A.
Leitungsschutzschalter sind seit langem bekannte Überstromschutzeinrichtungen, die in der Elektroinstallationstechnik in Niederspannungsstromkreisen eingesetzt werden . Diese schützen Leitungen vor Beschädigung durch Erwärmung infolge zu hohen Stromes und/oder Kurzschluss . Ein Leitungsschutzschalter kann den Stromkreis bei Überlast und/oder Kurzschluss selbsttätig abschalten . Ein Leitungsschutzschalter ist ein nicht selbsttätig zurückstellendes Sicherungselement .
Leistungsschalter sind, im Gegensatz zu Leitungsschutzschaltern, für Ströme größer als 125 A vorgesehen, teilweise auch schon ab 63 Ampere . Leitungsschutzschalter sind deshalb einfacher und filigraner auf gebaut . Leitungsschutzschalter weisen üblicherweise eine Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung auf einer so genannten Hutschiene ( Tragschiene , DIN- Schiene , TH35 ) auf .
Leitungsschutzschalter sind elektromechanisch auf gebaut . In einem Gehäuse weisen sie einen mechanischen Schaltkontakt bzw . Arbeitsstromauslöser zur Unterbrechung (Auslösung) des elektrischen Stromes auf . Üblicherweise wird ein Bimetall- Schutzelement bzw . Bimetall-Element zur Auslösung (Unterbrechung) bei länger anhaltenden Überstrom (Überstromschutz ) respektive bei thermischer Überlast (Überlastschut z ) eingesetzt . Ein elektromagnetischer Auslöser mit einer Spule wird zur kurz zeitigen Auslösung bei Überschreiten eines Überstromgrenzwerts bzw . im Falle eines Kurzschlusses (Kurzschlussschutz ) eingesetzt . Eine oder mehrere Lichtbogenlöschkammer (n) bzw . Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung sind vorgesehen . Ferner Anschlusselemente für Leiter des zu schützenden elektrischen Stromkreises .
Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit sind relativ neuartige Entwicklungen . Diese weisen eine halbleiterbasierte elektronische Unterbrechungseinheit auf . D . h . der elektrische Stromfluss des Niederspannungsstromkreises wird über Halbleiterbauelemente respektive Halbleiterschalter geführt , die den elektrischen Stromfluss unterbrechen bzw . leitfähig geschaltet werden können . Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit weisen ferner häufig ein mechanisches Trennkontaktsystem auf , insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß einschlägigem Normen für Niederspannungsstromkreise , wobei die Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet sind, d.h. der Strom des zu schützenden Niederspannungsstromkreises wird sowohl über das mechanische Trennkontaktsystem als auch über die elektronische Unterbrechungseinheit geführt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Niederspannungswechselstromkreise, mit einer Wechselspannung, üblicherweise mit einer zeitabhängigen sinusförmigen Wechselspannung mit der Frequenz f. Die zeitliche Abhängigkeit des momentanen Spannungswertes u(t) der Wechselspannung ist durch die Gleichung: u(t) = U * sin (2n * f * t) beschrieben. Wobei: u(t) = momentaner Spannungswert zu der Zeit t
U = Amplitude der Spannung
Eine harmonische Wechselspannung lässt sich durch die Rotation eines Zeigers darstellen, dessen Länge der Amplitude (U) der Spannung entspricht. Die Momentanauslenkung ist dabei die Projektion des Zeigers auf ein Koordinatensystem. Eine Schwingungsperiode entspricht einer vollen Umdrehung des Zeigers und dessen Vollwinkel beträgt 2n (2Pi) bzw. 360°. Die Kreisfrequenz ist die Änderungsrate des Phasenwinkels dieses rotierenden Zeigers. Die Kreisfrequenz einer harmonischen Schwingung beträgt immer das 2n-fache ihrer Frequenz, d.h. :
M = 2n*f = 2n/T = Kreisfrequenz der Wechselspannung (T = Periodendauer der Schwingung)
Häufig wird die Angabe der Kreisfrequenz (M) gegenüber der Frequenz (f) bevorzugt, da sich viele Formeln der Schwingungslehre aufgrund des Auftretens trigonometrischer Funktionen, deren Periode per Definition 2n ist, mit Hilfe der Kreisfrequenz kompakter darstellen lassen: u (t) U * sin(ut)
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 M und der Zeit t dem zeitabhängigen Winkel cp(t) , der auch als Phasenwinkel cp ( t ) bezeichnet wird. D.h. der Phasenwinkel cp ( t ) durchläuft periodisch den Bereich O.„2n bzw. 0°...360°. D.h. der Phasenwinkel nimmt periodisch einen Wert zwischen 0 und 2n bzw. 0° und 360° an (cp = n* (0...2n) bzw. cp = n* ( 0 °..,360 ° ) , wegen Periodizität; verkürzt: cp = O...2n bzw. cp = 0°...360° ) .
Mit momentanem Spannungswert u(t) ist folglich der momentane Wert der Spannung zum Zeitpunkt t, d.h. bei einer sinusförmigen (periodischen) Wechselspannung der Wert der Spannung zum Phasenwinkel cp gemeint (cp = O...2n bzw. <p = 0°...360°, der jeweiligen Periode) .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schutzschaltgerät eingangs genannter Art zu verbessern, insbesondere die Sicherheit eines derartigen Schutzschaltgerätes zu verbessern bzw. eine höhere Sicherheit im durch das Schutzschaltgerät zu schützenden elektrischen Niederspannungsstromkreis zu erreichen .
Diese Aufgabe wird durch ein Schutzschaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 16 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises, insbesondere Niederspannungswechselstromkreises, vorgeschlagen, aufweisend: - ein Gehäuse mit mindestens einem netzseitigen Anschluss und einem lastseitigen Anschluss, - eine mechanische Trennkontakteinheit , die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet ist , wobei die mechanische Trennkontakteinheit dem lastseitigen Anschluss und die elektronische Unterbrechungseinheit dem netzseitigen Anschluss zugeordnet ist ,
- dass die mechanische Trennkontakteinheit durch ein Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die elektronische Unterbrechungseinheit durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- einer Stromsensoreinheit , zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises ,
- einer Steuerungseinheit , die mit der Stromsensoreinheit , der mechanischen Trennkontakteinheit und der elektronischen Unterbrechungseinheit verbunden ist , wobei bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird .
Zwischen zwei Leitern des Niederspannungsstromkreises ist erfindungsgemäß eine Messimpedanz vorgesehen . Die Messimpedanz ist einerseits mit der Verbindung zwischen mechanischer Trennkontakteinheit und elektronischer Unterbrechungseinheit verbunden . Andererseits ist die Messimpedanz mit dem anderen Leiter verbunden . Insbesondere mit dem anderen Leiter am netzseitigen Anschluss .
Das Schutzschaltgerät ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet , dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geöf fneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird . D . h . die elektronischer Unterbrechungseinheit wird ausgehend vom hochohmigen Zustand für eine erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand geschaltet und ist anschließend wieder im hochohmigen Zustand .
Die erste Zeitspanne kann im Bereich 100 ps bis 1 s liegen . Beispielsweise 100 ps , 200 ps , 1 ms, 2 ms , 10 ms , 11 ms , ..., 20 ms , 21 ms , ..., 100 ms , ..., 200 ms , ... 1 s .
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 Ef fektivwert der Spannung) über der elektronischen Unterbrechungseinheit anliegen .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass die elektronische Unterbrechungseinheit hinsichtlich ihrer „Einschaltbarkeit und eingeschalter Zustand" überprüft werden kann .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und im Aus führungsbeispiel angegeben .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass ( für einen Leiter ) die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelbar ist .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass speziell die Höhe der Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt und lastseitigen Verbindungspunkt der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelbar ist bzw . ermittelt wird .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Schaltung ( -handlung) der elektronischen Unterbrechungseinheit für die erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt . Bei Überschreiten eines zweiten Spannungsschwellwertes liegt eine zweite Fehlerbedingung vor, so dass ein weiteres bzw . nachfolgendes niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird . ( D . h . bei Unterschreitung des zweiten Spannungsschwellwertes liegt keine Fehlerbedingung vor . ) Der erste Spannungsschwellwert sollte bevorzug kleiner als 1
V sein . Der erste Spannungsschwellwert kann zwischen 0 Volt (bzw . größer 0 Volt ) und kleiner ( z . B . 10 % Kleiner ) als der
Momentanwert der momentan angelegten Wechselspannung sein ( speziell bei einer Überwachung bzw . einem Vergleich von Momentanwerten) .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass die elektronische Unterbrechungseinheit genauer hinsichtlich ihrer „Einschaltbarkeit" bzw . des eingeschalteten Zustandes überprüft werden kann .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass bei geöf fneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit bei hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit ermittelt wird . Bei Unterschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes liegt eine erste Fehlerbedingung vor, so dass ein ( ggfs . erneutes bzw . erstmaliges ) niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden wird oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird . ( D . h . bei Überschreitung des ersten Spannungsschwellwertes liegt keine Fehlerbedingung vor . )
Der erste Spannungsschwellwert könnte ein Ef fektivwert / Mittelwert / rms-Wert der Wechselspannung sein . Der erste Spannungsschwellwert könnte ein Momentanwert der Spannung sein . Der Vergleich kann über Ef fektivwerte oder über zeitliche Momentanwerte erfolgen .
Dies dient der Überprüfung der elektronischen Unterbrechungseinheit hinsichtlich ihrer „Ausschaltbarkeit bzw . des ausgeschalteten Zustandes" , d . h . dem hochohmig werden bzw . hocho- mig sein der halbleiterbasierten Schaltelemente .
Der erste Spannungsschwellwert beträgt zum Beispiel vorteilhafter Weise 5- 15 % der Nennspannung oder angelegten Spannung des Niederspannungsstromkreises , beispielsweise 10 % . Dies gilt sowohl für Ef fektivwerte als auch für Momentanwerte der Wechselspannung, j e nach gewählter Vergleichsart . Beispielsweise kann auch zu bestimmten Zeitpunkten des Momentanwertes der Wechselspannung gemessen werden . Z . B . zum Zeitpunkt , wo der Momentanwert der Wechselspannung +300 V oder -300 V beträgt .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine einfache Überprüfung hinsichtlich des Ausschalterverhaltens der elektronischen Unterbrechungseinheit gegeben ist .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Vorliegen einer ( der beiden) Fehlerbedingung ein Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit vermieden . Insbesondere wird kein Freigabesignal ( enable ) an die mechanische Trennkontakteinheit abgegeben . D . h . ein Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit durch eine Handhabe ist nicht möglich .
Ferner kann ein niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden werden .
Es können noch weitere Fehlerbedingungen existieren .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass nur ein funktions fähiges Schutzschaltgerät mit einer funktions fähigen elektronischen Unterbrechungseinheit einschaltbar ist . Somit wird die Betriebssicherheit im Niederspannungsstromkreis erhöht . Somit ist sichergestellt , dass die Einschaltbarkeit und die Ausschaltbarkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit funktioniert .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Schutzschaltgerät ferner derart ausgestaltet sein, dass weitere Verfeinerungen vorgesehen sind :
- ein Gehäuse mit einem netzseitigen Neutralleiteranschluss , einem netzseitigen Phasenleiteranschluss , einem lastseitigen Neutralleiteranschluss , einem lastseitigen Phasenleiteranschluss des Niederspannungsstromkreises ,
- eine , insbesondere zweipolige ( speziell bei einem einphasigen Stromkreis ) , mechanische Trennkontakteinheit mit lastseitigen Anschlusspunkten und netzseitigen Anschlusspunkten, wobei die lastseitigen Anschlusspunkte mit den lastseitigen Neutral- und Phasenleiteranschlüssen verbunden sind, so dass ein Öf fnen 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 Nieder spannungs Stromkreis 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 .
Erfindungsgemäß ist die Höhe der Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt und lastseitigen Verbindungspunkt der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelbar bzw . wird ermittelt .
Hierzu kann mindestens eine , mit der Steuerungseinheit verbundene , Spannungssensoreinheit vorgesehen sein . Bei mehreren Spannungssensoreinheiten sind diese mit der Steuerungseinheit verbunden .
Mit der Ermittlung der Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit kann erfindungsgemäß die Funktions fähigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt werden . Erfindungsgemäß wird somit eine erhöhte Betriebssicherheit eines Schutzschaltgerätes erzielt . Ferner wird eine neue Architektur bzw . konstruktive Ausgestaltung eines Schutzschaltgerätes vorgeschlagen .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit der Steuerungseinheit verbundene erste Spannungssensoreinheit vorgesehen ist , die die Höhe einer/der ersten Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit , insbesondere zwischen netzseitigen Verbindungspunkt und lastseitigen Verbindungspunkt der elektronischen Unterbrechungseinheit , ermittelt .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine einfache Lösung mit nur einer Spannungssensoreinheit gegeben ist .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist alternativ eine mit der Steuerungseinheit verbundene zweite Spannungssensoreinheit vorgesehen, die die Höhe einer zweiten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss und netzseitigen Phasenleiteranschluss ermittelt . Weiterhin ist eine mit der Steuerungseinheit verbundene dritte Spannungssensoreinheit vorgesehen, die die Höhe einer dritten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss und lastseitigen Verbindungspunkt der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt . Das Schutzschaltgerät ist derart ausgestaltet , dass aus der Di f ferenz zwischen zweiter und dritter Spannung die Höhe einer/der ersten Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt und lastseitigen Verbindungspunkt der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt wird .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine weitere Lösung, basierend auf klassischen Spannungsmessungen gegeben ist . Zudem wird eine weiterreichende Prüfung des Schutzschaltgerätes ermöglicht .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stromsensoreinheit stromkreisseitig zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und lastseitigen Phasenleiteranschluss vorgesehen .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine kompakte Zweiteilung des Gerätes gegeben ist , mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit im Phasenleiter nebst Stromsensoreinheit einerseits und einem durchgehenden Neutralleiter andererseits . Ferner wird mit einer Stromsensoreinheit im Phasenleiter eine weitergehende Überwachung bezüglich Ströme sowohl im Stromkreis selbst als auch bei Erdfehlerströmen erreicht .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere zwischen den netzseitigen Anschlusspunkten der mechanischen Trennkontakteinheit eine Messimpedanz geschaltet . Insbesondere ist die Messimpedanz ein elektrischer Widerstand oder/und Kondensator, d . h . ein einzelnes Element oder eine Serien- bzw . Parallelschaltung zweier Elemente .
Speziell sollte die Messimpedanz einen hohen Widerstandswert bzw . Impedanzwert haben, um vorteilhaft die Verluste gering zu halten . Insbesondere sollten Widerstandswerte von größer 100 KOhm, besser 1 MOhm, 2 MOhm, 3 MOhm, 4 MOhm oder 5 MOhm vorgesehen sein, spezieller von größer 5 MOhm . In einem 230 Volt Niederspannungsstromkreis führt der Einsatz eines Messwiderstandes von z . B . 1 MOhm zu etwa 50 mW Verlusten .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine bessere Überprüfung der Funktions fähigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit gegeben ist , insbesondere bei geöf fneten Trennkontakten, speziell bei der erfindungsgemäßen Architektur des Schutzschalters .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Niederspannungsstromkreis ein Dreiphasenwechselstromkreis . Das Schutzschaltgerät weist mehrere bzw . weitere netzseitige und lastseitige Phasenleiteranschlüsse auf , um die Phasen des elektrischen Stromkreises zu schützen . Zwischen j edem der netzseitigen und lastseitigen Phasenleiteranschlüsse ist j eweils eine elektronische Unterbrechungseinheit mit einer erfindungsgemäßen Spannungsermittlung, insbesondere ersten Spannungssensoreinheiten vorgesehen . Zwischen j edem der netzseitigen und lastseitigen Phasenleiteranschlüsse ist zudem ein Kontakt der mechanischen Trennkontakteinheit vorgesehen . Dies hat den besonderen Vorteil , dass ein Schutz für Dreiphasenwechselstromkreis ermöglicht wird . In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit durch die Steuerungseinheit geöf fnet , aber nicht geschlossen werden können .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine erhöhte Betriebssicherheit erreicht wird, da die Kontakte versehentlich durch die Steuerungseinheit nicht geschlossen werden können .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mechanische Trennkontakteinheit durch eine mechanische Handhabe bedienbar, um ein Öf fnen von Kontakten oder ein Schließen der Kontakte zu schalten .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass die Funktionalität eines klassischen Leitungsschutzschalters gegeben ist .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mechanische Trennkontakteinheit derart ausgestaltet , dass ein Schließen der Kontakte durch die mechanische Handhabe erst nach einer Freigabe ( enable ) , insbesondere einem Freigabesignal , möglich ist .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass ein erhöhter Schutz und eine erhöhte Betriebssicherheit gegeben ist da ein Einschalten eines defekten Schutzschalters vermieden wird .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Energieversorgung, insbesondere für die Steuerungseinheit , vorgesehen, die mit dem netzseitigen Neutralleiteranschluss und dem netzseitigen Phasenleiteranschluss verbunden ist . Speziell ist in der Verbindung zum netzseitigen Neutralleiteranschluss eine Sicherung, insbesondere Schmel zsicherung, vorgesehen . Vorteilhaft kann speziell die Messimpedanz über die Sicherung mit dem netzseitigen Neutralleiteranschluss verbunden sein .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine kompakte elektronische Baugruppe ermöglicht wird . Ferner gibt es im Schutzschaltgerät nur eine Querverbindung zwischen Phasenleiter und Neutralleiter . Ein Fehler im Schutzschaltgerät , der einen Kurzschluss zwischen Phasenleiter und Neutralleiter verursacht , kann so leicht geschützt , gesichert bzw . gefunden werden .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmiger Unterbrechungseinheit und
- bei einem ermittelten Strom, der einen ersten Stromwert überschreitet , insbesondere dass der erste Stromwert für eine erste Zeitgrenze überschritten wird, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit geschlossen bleibt ,
- bei einem ermittelten Strom, der einen (höheren) zweiten Stromwert , insbesondere für eine zweite Zeitgrenze , überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit geöf fnet wird,
- bei einem ermittelten Strom, der einen (noch höheren) dritten Stromwert überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit geöf fnet wird .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass ein abgestuftes Abschaltkonzept bei erhöhten Strömen für ein erfindungsgemäßes Schutzschaltgerät vorliegt .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerungseinheit einen Mikrocontroller auf .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass die erfindungsgemäßen Funktionen zur Erhöhung der Sicherheit eines Schutzschaltgerätes bzw . des zu schützenden elektrischen Niederspannungsstromkreis durch ein ( anpassbares ) Computerprogrammprodukt realisiert werden können . Ferner können Änderungen und Verbesserungen der Funktion dadurch individuell auf ein Schutzschaltgerät geladen werden .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit elektronischen (halbleiterbasierten) Schaltelementen mit den gleichen und weiteren Vorteilen beansprucht . Das Verfahren für ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis mit :
- einem Gehäuse mit mindestens einem netzseitigen Anschluss und einem lastseitigen Anschluss ,
- einer mechanische Trennkontakteinheit , die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet ist , wobei die mechanische Trennkontakteinheit dem lastseitigen Anschluss und die elektronische Unterbrechungseinheit dem netzseitigen Anschluss zugeordnet ist ,
- dass die mechanische Trennkontakteinheit durch ein Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die elektronische Unterbrechungseinheit durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis , insbesondere zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und lastseitigen Phasenleiteranschluss , ermittelt wird, dass bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenz- werten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird,
- dass zwischen zwei Leitern des Niederspannungsstromkreises eine Messimpedanz vorgesehen ist , wobei die Messimpedanz einerseits mit der Verbindung zwischen mechanischer Trennkontakteinheit und elektronischer Unterbrechungseinheit verbunden ist .
Zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes wird bei geöf fneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit die elektronische Unterbrechungseinheit für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet .
Mit der Polarität des angelegten Momentanwertes der Wechselspannung, d . h . dem Mess zeitpunkt , kann ermittelt werden, ob ein erstes halbleiterbasiertes Schaltelement ( für eine erste Spannungspolarität ) oder ein zweites halbleiterbasiertes Schaltelement ( für eine zweite Spannungspolarität ) geprüft wird .
Bei der Schaltung der elektronischen Unterbrechungseinheit für die erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand wird die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt . Bei Überschreiten eines/des zweiten Spannungsschwellwertes liegt eine zweite Fehlerbedingung vor, so dass ein weiteres niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird .
Bei geöf fneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) kann ferner die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt werden . Bei Unter- schreitung eines/des ersten Spannungsschwellwertes liegt eine erste Fehlerbedingung vor, so dass ein niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt beansprucht . Das Computerprogrammprodukt umfass Befehle , die bei der Aus führung des Programms durch einen Mikrocontroller diesen veranlassen die Sicherheit eines derartigen Schutzschaltgerätes zu verbessern bzw . eine höhere Sicherheit im durch das Schutzschaltgerät zu schützenden elektrischen Niederspannungsstromkreis zu erreichen .
Der Mikrocontroller ist Teil des Schutzschaltgerätes , insbesondere der Steuerungseinheit .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt gespeichert ist , beansprucht .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Datenträgersignal , das das Computerprogrammprodukt überträgt , beansprucht . Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw . 16 , als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, insbesondere auch ein Rückbezug der anhängigen Anordnungsansprüche auf den unabhängigen Verfahrensanspruch und vice versa, bewirken eine Verbesserung eines Schutzschaltgerätes , insbesondere eine Verbesserung der Sicherheit eines Schutzschaltgerätes bzw . des elektrischen Stromkreises , und stellen ein neues Konzept für ein Schutzschaltgerät bereit .
Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Aus führungsbeispiele , die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden .
Dabei zeigt die Zeichnung :
Figur 1 eine erste Darstellung eines Schutzschaltgerätes ,
Figur 2 eine zweite Darstellung eines Schutzschaltgerätes ,
Figur 3 eine dritte Darstellung eines Schutzschaltgerätes mit ersten Spannungsverläufen,
Figur 4 eine vierte Darstellung eines Schutzschaltgerätes mit zweiten Spannungsverläufen,
Figur 5 eine fünfte Darstellung eines Schutzschaltgerätes .
Figur 1 zeigt eine Darstellung eines Schutzschaltgerätes SG zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises , insbesondere Niederspannungswechselstromkreis , mit einem Gehäuse GEH, aufweisend :
- einen netzseitigen Neutralleiteranschluss NG, einem netzseitigen Phasenleiteranschluss LG, einem lastseitigen Neutralleiteranschluss NL, einem lastseitigen Phasenleiteranschluss LL des Niederspannungsstromkreises ; an der Netzseite GRID ist üblicherweise eine Energiequelle angeschlossen, an der Lastseite LOAD ist üblicherweise ein Verbraucher angeschlossen;
- eine ( zweipolige ) mechanische Trennkontakteinheit MK mit lastseitigen Anschlusspunkten APLL, APNL und netzseitigen Anschlusspunkten APLG, APNG, wobei für den Neutralleiter ein lastseitiger Anschlusspunkt APNL, für den Phasenleiter ein lastseitiger Anschlusspunkt APLL, für den Neutralleiter ein netzseitiger Anschlusspunkt APNG, für den Phasenleiter ein netzseitiger Anschlusspunkt APLG vorgesehen ist . Die lastseitigen Anschlusspunkte APNL, APLL sind mit den lastseitigen Neutral- und Phasenleiteranschlüssen NL, LL verbunden, so dass ein Öf fnen von Kontakten KKN, KKL zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- eine , insbesondere einpolige , elektronische Unterbrechungseinheit EU, ( die bei einpoliger Aus führung insbesondere im Phasenleiter angeordnet ist , ) mit einem netzseitigen Verbindungspunkt EUG, der mit dem netzseitigen Phasenleiteranschluss LG in elektrischer Verbindung steht , und einem lastseitigen Verbindungspunkt EUL, der mit dem netzseitigen Anschlusspunkt APLG der mechanischen Trennkontakteinheit MK in elektrischer Verbindung steht bzw . verbunden ist , wobei die elektronische Unterbrechungseinheit durch halbleiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis aufweist bzw . schaltbar ist ,
- eine Stromsensoreinheit S I , zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises , die insbesondere im Phasenleiter angeordnet ist ,
- einer Steuerungseinheit SE , die mit der Stromsensoreinheit S I , der mechanischen Trennkontakteinheit MK und der elektronischen Unterbrechungseinheit EU verbunden ist , wobei bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenzwerten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird .
Erfindungsgemäß ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelbar ist . D . h . die Höhe einer ersten Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt EUG und lastseitigen Verbindungspunkt EUL der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ist ermittelbar bzw . wird ermittelt .
Hierzu ist im Beispiel gemäß Figur 1 eine mit der Steuerungseinheit SE verbundene erste Spannungssensoreinheit SUI vorgesehen, die die Höhe der Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt EUG und lastseitigen Verbindungspunkt EUL der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ermittelt .
Bei der Spannungsmessung durch die erste Spannungssensoreinheit SUI kann alternativ auch die Spannung über der Serienschaltung von elektronischer Unterbrechungseinheit EU und Stromsensor S I ermittelt werden, wie in Figur 1 dargestellt . Die Stromsensoreinheit S I weist einen sehr geringen Innenwiderstand auf , so dass die Ermittlung der Höhe der Spannung nicht oder vernachlässigbar beeinträchtigt wird .
Erfindungsgemäß ist ferner zwischen den netzseitigen Anschlusspunkten APLG, APNG der mechanischen Trennkontakteinheit MK eine Messimpedanz ZM geschaltet . Die Messimpedanz ZM kann beispielsweise ein elektrischer Widerstand oder/und Kondensator sein . Die Messimpedanz kann ferner eine Induktivität sein . Insbesondere kann die Messimpedanz eine Serienschaltung oder Parallelschaltung eines Widerstandes oder/und Kondensator oder/und Induktivität sein .
Vorteilhafterweise kann eine zweite Spannungssensoreinheit SU2 vorgesehen ist , die die Höhe der Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss NG und netzseitigen Phasenleiteranschluss LG ermittelt . Die erste Spannungssensoreinheit kann auch ersetzt werden, in dem zwei Spannungsmessungen (vor der elektronischen Unterbrechungseinheit und nach der elektronischen Unterbrechungseinheit ) verwendet werden . Durch eine Di f ferenzbildung wird die Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt .
So kann eine/die mit der Steuerungseinheit SE verbundene zweite Spannungssensoreinheit SU2 vorgesehen sein, die die Höhe einer zweiten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss (NG) und netzseitigen Phasenleiteranschluss ( LG) ermittelt . Ferner kann eine mit der Steuerungseinheit verbundene (nicht dargestellte ) dritte Spannungssensoreinheit SU3 vorgesehen sein, die die Höhe einer dritten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss NG und lastseitigen Verbindungspunkt EUL der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ermittelt . Das Schutzschaltgerät ist derart ausgestaltet , dass aus der Di f ferenz zwischen zweiter und dritter Spannung die Höhe einer/der ersten Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt EUG und lastseitigen Verbindungspunkt EUL der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ermittelt wird .
Im Beispiel gemäß Figur 1 ist die elektronische Unterbrechungseinheit EU einpolig ausgeführt , im Beispiel im Phasenleiter . Hierbei ist der netzseitige Anschlusspunkt APNG für den Neutralleiter der mechanischen Trennkontakteinheit MK mit den netzseitigen Neutralleiteranschluss NG des Gehäuses GEH verbunden .
Das Schutzschaltgerät SG ist vorteilhaft derart ausgestaltet , dass die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit MK durch die Steuerungseinheit SE geöf fnet , aber nicht geschlossen werden können, was durch einen Pfeil von der Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakte Einheit MK angedeutet ist .
Die mechanische Trennkontakteinheit MK ist durch eine mechanische Handhabe HH am Schutzschaltgerät SG bedienbar, um ein manuelles (händisches ) Öf fnen oder ein Schließen der Kontakte KKL, KKN zu schalten. Die mechanische Handhabe HH zeigt den Schalt zustand (Offen oder Geschlossen) der Kontakte der mechanischen Trennkontakte Einheit MK an.
Des Weiteren kann die Kontaktstellung (bzw. die Position der Handhabe, geschlossen bzw. geöffnet) an die Steuerungseinheit SE übermittelbar sein. Die Kontaktstellung (bzw. die Position der Handhabe) kann z.B. mittels eines Sensors ermittelt werden .
Die mechanische Trennkontakteinheit MK ist vorteilhaft derart ausgestaltet, dass ein (manuelles) Schließen der Kontakte durch die mechanische Handhabe erst nach einer Freigabe (enable) , insbesondere einem Freigabesignal, möglich ist. Dies ist ebenfalls durch den Pfeil von der Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakte Einheit MK angedeutet. D. h. , die Kontakte KKL, KKN der mechanischen Trennkontakteinheit MK können durch die Handhabe HH erst bei Vorliegen der Freigabe bzw. des Freigabesignals (von der Steuerungseinheit) geschlossen werden. Ohne die Freigabe bzw. das Freigabesignal kann die Handhabe HH zwar betätigt, die Kontakte aber nicht geschlossen werden („Dauerrutscher") .
Das Schutzschaltgerät SG weist eine Energieversorgung NT, beispielsweise ein Netzteil, auf. Insbesondere ist die Energieversorgung NT für die Steuerungseinheit SE vorgesehen, was durch eine Verbindung zwischen Energieversorgung NT und Steuerungseinheit SE in Figur 1 angedeutet ist. Die Energieversorgung NT ist (andererseits) mit dem netzseitigen Neutralleiteranschluss NG und dem netzseitigen Phasenleiteranschluss LG verbunden. In die Verbindung zum netzseitigen Neutralleiteranschluss NG (oder/und Phasenleiteranschluss LG) kann vorteilhaft eine Sicherung SS, insbesondere Schmelzsicherung, vorgesehen sein.
Alternativ kann die Messimpedanz ZM über die Sicherung SS mit dem netzseitigen Neutralleiteranschluss NG verbunden sein. Damit kann vorteilhaft eine dreipolige Elektronikeinheit EE (Fig 5) realisiert werden, beispielsweise als Modul, die drei Anschlusspunkte aufweist , einen Neutralleiteranschlusspunkt und zwei Phasenleiteranschlusspunkte . Die Elektronikeinheit EE weist beispielsweise die elektronische Unterbrechungseinheit EU, die Steuerungseinheit SE , die Energieversorgung NT ( insbesondere inklusive Sicherung SS ) , die Stromsensoreinheit S I , die erste Spannungssensoreinheit SUI und optional die zweite Spannungssensoreinheit SU2 auf .
Der Niederspannungsstromkreis kann ein Dreiphasenwechselstromkreis sein, mit einem Neutralleiter und drei Phasenleitern . Das Schutzschaltgerät kann hierfür als dreiphasige Variante ausgestaltet sein und beispielsweise weitere netzseitige und lastseitige Phasenleiteranschlüsse aufweisen . Zwischen den weiteren netzseitigen und lastseitigen Phasenleiteranschlüssen sind in analoger Weise j eweils erfindungsgemäße elektronische Unterbrechungseinheiten und Spannungsermittlungen ( z . B . durch erste Spannungssensoreinheiten) vorgesehen . Ebenso Kontakte der mechanischen Trennkontakte Einheit .
Die Meßimpedanz ZM sollte einen sehr hohen Wert (Widerstandsoder Impedanzwert ) haben, um die Verluste gering zu halten . Beispielsweise bei einem Widerstand einem Wert von z . B . 1 MOhm . Ein Wert von 1 MOhm führt zu Verlusten von etwa 50 mW in einem 230 V Niederspannungsstromkreis .
Die Meßimpedanz sollte vorteilhaft größer als 100 KOhm sein .
Mit hochohmig ist ein Zustand gemeint , bei dem nur noch ein Strom vernachlässigbarer Größe fließt . Insbesondere sind mit hochohmig Widerstandswerte von größer als 1 Kiloohm, besser größer als 10 Kiloohm, 100 Kiloohm, 1 Megaohm, 10 Megaohm, 100 Megaohm, 1 Gigaohm oder größer gemeint .
Mit niederohmig ist ein Zustand gemeint , bei dem der auf dem Schutzschaltgerät angegebene Stromwert fließen könnte . Insbesondere sind mit niederohmig Widerstandswerte gemeint , die kleiner als 10 Ohm, besser kleiner als 1 Ohm, 100 Milliohm, 10 Milliohm, 1 Milliohm oder kleiner sind . Figur 2 zeigt eine Abbildung gemäß Figur 1 , mit dem Unterschied, dass an der Netzseite GRID eine Energiequelle EQ mit einer Nennspannung UN des Niederspannungsstromkreises angeschlossen ist . Ferner an der Lastseite LOAD ein Verbraucher bzw . Energiesenke ES angeschlossen ist .
Weiterhin ist bei der Verbindung von Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakte Einheit MK ein Freigabesignal enable eingezeichnet .
Die mechanische Trennkontakteinheit MK ist in einem geöf fneten Zustand OFF dargestellt , d . h . mit geöf fneten Kontakten KKN, KKL zur Vermeidung eines Stromflusses .
Das Schutzschaltgerät SG arbeitet beispielsweise prinzipiell derart , dass bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmiger Unterbrechungseinheit und
- bei einem ermittelten Strom, der einen ersten Stromwert überschreitet , insbesondere dass der erste Stromwert für eine erste Zeitgrenze überschritten wird, die elektronische Unterbrechungseinheit EU hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit MK geschlossen bleibt ,
- bei einem ermittelten Strom, der einen höheren zweiten Stromwert , insbesondere für eine zweite Zeitgrenze , überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit EU hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit MK geöf fnet wird,
- bei einem ermittelten Strom, der einen noch höheren dritten Stromwert überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit MK geöf fnet wird .
Figur 3 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 2 , mit verschiedenen Unterschieden . Die Spannungen am und im Schutzschaltgerät sind näher dargestellt :
- die Nennspannung UN der Energiequelle EQ des Niederspannungsstromkreises ,
- die zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss NG und netzseitigen Phasenleiteranschluss LG anliegende Netzspannung ULu
- die im Schutzschaltgerät durch die zweite Spannungssensoreinheit SU2 gemessene zweite Spannung U2 bzw. UN,GND?
- die mit der ersten Spannungssensor Einheit SUI über der elektronischen Unterbrechungseinheit EU gemessene erste Spannung Ul bzw. US .
In dieser Variante gemäß Figur 3 wird die erste Spannung Ul (bzw. Usw) direkt über der elektronischen Unterbrechungseinheit gemessen (d.h. ohne Stromsensoreinheit SI) . Die zweite Spannung U2 (bzw. UN,GND) entspricht der Netzspannung ULN abzüglich des (minimalen) Spannungsabfalls über der Stromsensoreinheit SI sowie den ohmschen Verlusten.
Weiter ist ein Detail der elektronischen Unterbrechungseinheit EU dargestellt, wobei die (einpolige) elektronische Unterbrechungseinheit EU halbleiterbasierte Schaltelemente TI, T2 aufweist. Im Beispiel gemäß Figur 3 sind zwei in Serie geschaltete halbleiterbasierte Schaltelemente TI, T2 vorgesehen. Vorteilhaft ist über der Serienschaltung der beiden halbleiterbasierten Schaltelementen TI, T2 eine Überspannungsschutzeinrichtung TVS vorgesehen.
In der Ausgestaltung gemäß Figur 3 sind zwei unidirektionale elektronische Schaltelemente (antiseriell) in Serie geschaltet. Das erste unidirektionale Schaltelement ist hierbei in einer ersten Stromrichtung schaltbar angeordnet und das zweite unidirektionale Schaltelement in der entgegengesetzten Stromrichtung schaltbar angeordnet, wobei die unidirektiona- len Schaltelemente entgegen ihrer Stromschaltrichtung (direkt oder indirekt, z.B. durch interne oder extern parallel geschaltete Dioden) leitend sind. Insbesondere ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass das erste und das zweite Schaltelement unabhängig voneinander schaltbar sind.
Im Folgenden wird folgende Situation betrachtet:
- Es liegt Nennspannung bzw. Netzspannung (z.B. 230 V AC) am netzseitigen Anschluss LG, NG bzw. Netzseite GRID bzw. Netzanschluss des Schutzschaltgerätes an, - Es ist ein Verbraucher bzw. Energiesenke ES bzw. Last an der Lastseite LOAD des Schutzschaltgerätes angeschlossen,
Im ersten Schritt soll die Überprüfung im AUS-Zustand des elektronischen Schutzgerätes betrachtet werden.
Dazu ist:
- Der mechanische Trennkontakteinheit ist geöffnet (Kontakte offen)
- Die elektronische Unterbrechungseinheit ist ausgeschaltet (halbleiterbasierte Schaltelemente hochohmig)
- Die Steuerungseinheit (inkl. Controller-Einheit ) ist aktiv
Das elektrische Potential zwischen der elektronischen Unterbrechungseinheit und der mechanischen Trennkontakteinheit ist durch die Meßimpedanz ZM und der Impedanz der elektronischen Unterbrechungseinheit im ausgeschalteten Zustand definiert (Spannungsteiler) .
Die Steuerungseinheit kann nun zu einem beliebigen Zeitpunkt (und somit zu einer bestimmten Spannungsaufteilung (je nach Momentanwert der Spannung, Halbwelle der Spannung) die halbleiterbasierten Schaltelemente (welcher der beiden Halbleiter ist aktiv?) einschalten. Unter Berücksichtigung der Polarität der Wechselspannung respektive AC-Spannung können hiermit die Schaltelemente der elektronischen Unterbrechungseinheit EU getestet werden.
Die elektronische Unterbrechungseinheit EU (respektive der elektronische Schalter) wird somit für z.B. eine sehr kurze Zeit (im Millisekunden-Bereich) eingeschaltet. Ist die elektronische Unterbrechungseinheit funktionsfähig, kann dies durch die (gleichzeitige) Spannungsmessung (z.B. erste Spannungssensoreinheit, zweite Spannungssensoreinheit) und (anschließende) Auswertung festgestellt werden. Z.B. kann bei einem defekten halbleiterbasierten Schaltelement festgestellt werden, ob er stets eingeschaltet bleibt (Fehlerbild: „durchlegiert") oder stets ausgeschaltet bleibt (Fehlerbild: „durchgebrannt") .
Somit sind zwei typische und häufige Fehlerbilder abgedeckt. I st die Überprüfung fehlerfrei , kann eine ( erste ) Freigabebedingung zum Einschalten des Schutzschaltgerätes , speziell der elektronischen Unterbrechungseinheit bzw . der mechanischen Trennkontakteinheit , vorliegen .
I st die Überprüfung nicht fehlerfrei , wird keine Freigabe zum Einschalten des Schutzschaltgerätes erfolgen, es lieget eine Fehlerbedingung vor, sodass der Abgang bzw . Verbraucher / Load nicht eingeschaltet werden kann und somit ein gefährlicher Zustand verhindert wird .
Das Schutzschaltgerät ist derart ausgestaltet , dass bei geöf fneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit MK und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit EU die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit , d . h . die erste Spannung Ul , ermittelt wird . Bei Unterschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes liegt eine erste Fehlerbedingung vor, so dass ein niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird . Bezüglich der mechanischen Trennkontakteinheit MK wird beispielsweise ein Freigabesignal enable von der Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakteinheit MK nicht abgegeben .
Auf der rechten Seite der Figur 3 sind drei dazu korrespondierende Spannungsverläufe über der Zeit dargestellt . Auf der vertikalen y-Achse ist die Höhe der Spannung in Volt und auf der hori zontalen x-Achse die Zeit in Millisekunden (ms ) aufgetragen . Es ist j eweils der Verlauf der Höhe der ersten Spannung Ul und der Höhe der zweiten Spannung U2 über der Zeit dargestellt .
In der ersten oberen Grafik NORM sind die Spannungsverläufe für einen fehlerfreien Zustand der elektronischen Unterbrechungseinheit EU dargestellt . Die Di f ferenz der Amplitude zwischen erster Spannung Ul und zweiter Spannung U2 ist in diesem Fall durch den Spannungsabfall über der Messeimpedanz ZM bedingt . Der erste Spannungsschwellwert sollte sich an der Größe der Meßimpedanz orientieren . Der erste Spannungsschwellwert sollte beispielsweise etwas kleiner sein, als die Nennspannung abzüglich des Spannungsabfalls über der Messimpedanz . I st die erste Spannung Ul größer als der erste Spannungsschwellwert , liegt eine fehlerfreie elektronische Unterbrechungseinheit EU vor . Die Auswertung kann basierend auf den Momentanwerten der Spannung als auch auf den Ef fektivwerten der Spannung erfolgen . I st die erste Spannung Ul größer als der erste Spannungsschwellwert liegt folglich eine erste Freigabebedingung vor, in deren Folge die elektronische Unterbrechungseinheit niederohmig werden darf oder/und ein Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakte Einheit ermöglicht wird . Dies ist in Figur 3 durch einen Pfeil , mit der Bezeichnung enable , von der Steuerungseinheit SE zur mechanischen Trennkontakteinheit MK dargestellt , für die Freigabe des Schließens der Kontakte der mechanischen Trennkontakte Einheit MK durch die Handhabe HH . Die Verbindung bzw . der Pfeil von der Steuerungseinheit SE zur elektronischen Unterbrechungseinheit EU weist eine Darstellung eines Verlaufs des Schalt zustandes der elektronischen Unterbrechungseinheit über der Zeit auf , bei der ein ausgeschalteter/hochohmiger Zustand mit of f und ein einge- schalteter/niederohmiger Zustand der elektronischen Unterbrechungseinheit EU mit on gekennzeichnet ist . Im Beispiel befindet sich die elektronische Unterbrechungseinheit EU im ausgeschalteten Zustand of f , was durch einen geraden Strich neben , of f ' dargestellt ist .
In der zweiten mittleren Grafik , TI is „shorten" ' ist der Spannungsverlauf für eine defekte elektronische Unterbrechungseinheit EU dargestellt , bei der im Beispiel ein halbleiterbasiertes Schaltelement , im Beispiel das Schaltelement TI , ständig leitfähig ist ( durchlegiert/ kurzgeschlossen) . Dadurch fließt in einer Halbwelle der elektrischen Spannung ein Strom durch die elektronische Unterbrechungseinheit , obwohl diese eigentlich hochohmig ist ( sein sollte ) . Die Leitfähigkeit in der durch das betrof fene halbleiterbasierte Schaltelement betrof fenen Stromrichtung verhindert den Aufbau einer Spannung über dem betrof fenen halbleiterbasierten Schaltelement . D . h . , die Höhe der ersten Spannung Ul kann den ersten Spannungsschwellwert nicht überschreiten, was mittels der ersten Spannungssensoreinheit SUI in Verbindung mit der Steuerungseinheit SE ermittelt werden kann . Dies ist in Figur 3 durch die Abkürzung DT angedeutet .
In der dritten unteren Grafik , T2 is „shorten" ' ist der Spannungsverlauf für eine defekte elektronische Unterbrechungseinheit EU dargestellt , bei der das andere halbleiterbasierte Schaltelement , im Beispiel der Schaltelement T2 , ständig leitfähig ist ( durchlegiert/ kurzgeschlossen) . Es gilt analog das zur mittleren Grafik gesagte .
In der zweiten und dritten Grafik ist ein Fehlerzustand der elektronischen Unterbrechungseinheit EU dargestellt , der bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmiger Unterbrechungseinheit erfindungsgemäß vor dem Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit gefunden werden kann und ein manuelles Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit verhindert .
Dies wird noch einmal mit anderen Worten erläutert . Figur 3 zeigt eine Übersicht zum Schaltbild und Spannungsverläufe für den Fall , dass ein Schaltelement in der elektronischen Unterbrechungseinheit defekt ist , in diesem Fall durchlegiert/ kurzgeschlossen ist . Da typischerweise unidirektional sperrende Leistungs-Halbleiter eingesetzt werden, kann j e nach angelegter Spannungspolarität das halbleiterbasierte Schaltelement TI oder T2 auf Funktionalität geprüft werden . Liegt an den Anschlüssen eines funktions fähigen Schutzschaltgerätes eine Wechselspannung an, entsteht über der elektronischen Unterbrechungseinheit eine Spannung Ul bzw . Usw, die über eine entsprechende erste Spannungssensoreinheit SUI ermittelt werden kann . Dies ist in der oberen Grafik NORM dargestellt . I st eines der beiden Schaltelemente durchlegiert , kann die Spannung von der elektronischen Unterbrechungseinheit nicht mehr auf genommen werden . Die gemessene Spannung wird hier für einen gewissen Zeitraum ( ca . 5ms ) Null . Dies ist in den beiden Verläufen , TI is „shorten" ’' und , T2 is „shorten" ’' dargestellt . Dies ermöglicht das Messen bzw . das Feststellen eines defekten Schaltelementes . Sind beide Schaltelemente durchlegiert , ist die erste Spannung Ul bzw . Usw stets null (nicht dargestellt ) .
Figur 4 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 3 mit dem Unterschied, dass die elektronische Unterbrechungseinheit EU kurzzeitig ein und ausgeschaltet wird . Dies ist durch ein Rechtecksignal bezüglich der Zustände of f on an der Verbindung zwischen Steuerungseinheit SE elektronischer Unterbrechungseinheit EU angedeutet .
Auf der rechten Seite der Figur 4 sind wieder drei Grafiken gemäß Figur 3 dargestellt . Gezeigt sind Spannungsverläufe für den Fall , dass ein Schaltelement in der elektronischen Unterbrechungseinheit defekt ist , in diesem Fall durchgebrannt/of- fen ist . Da typischerweise unidirektional sperrende Leistungs-Halbleiter eingesetzt werden, kann j e nach angelegter Spannungspolarität Schaltelement TI oder T2 auf Funktionalität geprüft werden .
Liegt netzseitig am funktions fähigen Schutzschaltgerät eine Wechselspannung an, entsteht über der elektronischen Unterbrechungseinheit eine Spannung Ul bzw . Usw, die über eine entsprechende Spannungsmessung ( erste Spannungssensoreinheit SUI ) gemessen werden kann . Dies ist in den oberen Verläufen „Health" dargestellt .
Um zu überprüfen, ob eines der beiden halbleiterbasierten Schaltelemente durchgebrannt ist , wird ein kurzer Einschaltimpuls gegeben, erste Zeitspanne . I st eines der beiden enthaltenen Schaltelemente durchgebrannt , kann das Schaltelement von der elektronischen Unterbrechungseinheit nicht mehr eingeschaltet werden . Dann bleibt auch bei einem Einschalten die gemessene Spannung stets wie im ausgeschalteten Zustand . Dies ist in der mittleren Grafik , TI is „open" ’' und der unteren Grafik , T2 is „open" ' dargestellt . Dies ermöglicht das Messen bzw . das Feststellen eines defekten Schaltelementes . D . h . das Schutzschaltgerät ist derart ausgestaltet , dass bei geöf fneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit MK und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit EU die elektronische Unterbrechungseinheit EU für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird, die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt wird .
Bei Überschreitung eines zweiten Spannungsschwellwertes liegt eine zweite Fehlerbedingung vor, so dass ein niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird .
Das Schutzschaltgerät ist vorteilhafterweise derart ausgestaltet , dass bei Vorliegen einer Fehlerbedingung ein Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit MK vermieden wird . Insbesondere wird kein Freigabesignal ( enable ) an die mechanische Trennkontakteinheit MK abgegeben .
Figur 5 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 1 bis 4 , mit dem Unterschied, dass das Schutzschaltgerät zweiteilig aufgebaut ist . Es enthält einen elektronischen ersten Teil EPART , beispielsweise auf einer Leiterplatte / Printed Circuit Board . Der erste Teil EPART kann die Steuerungseinheit SE , die erste Spannungssensoreinheit SUI , die zweite Spannungssensoreinheit SU2 , die Stromsensoreinheit S I , die elektronische Unterbrechungseinheit EU, die Energieversorgung NT , aufweisen . Ferner kann der erste Teil die Schmel zsicherung SS , einen Schalter SCH, die Meßimpedanz ZM, einen Temperatursensor TEM ( insbesondere für die elektronische Unterbrechungseinheit EU) , eine Kommunikationseinheit COM, eine Anzeigeeinheit DISP aufweisen .
Der erste Teil EPART weist nur drei Anschlüsse auf :
- den netzseitigen Phasenleiter Anschluss LG,
- einen Anschluss für den bzw . zum netzseitigen Phasenleiteranschlusspunkt APLG der mechanischen Trennkontakteinheit MK,
- einen Anschluss für eine Verbindung zum netzseitigen
Neutralleiteranschluss NG . Das Schutzschaltgerät enthält einen, insbesondere mechanischen, zweiten Teil MPART . Der zweite Teil MPART kann die mechanische Trennkontakteinheit MK, die Handhabe HH, eine Freigabeeinheit FG aufweisen . Ferner kann der zweite Teil eine Positionseinheit POS , zur Meldung der Position der Kontakte der mechanischen Trennkontakte Einheit MK an die Steuerungseinheit , sowie die (Neutralleiter- ) Verbindung ( en) aufweisen . Es können weitere , nicht näher bezeichnete , Einheiten vorgesehen sein .
Durch die Zweiteilung lässt sich vorteilhaft ein erfindungsgemäßes kompaktes Schutzschaltgerät realisieren .
Die Freigabeeinheit FG bewirkt eine Freigabe der Betätigung der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit durch die Handhabe HH, wenn ein Freigabesignal enable vorliegt , s
Im Folgenden soll die Erfindung nochmals zusammengefasst und näher erläutert werden .
Beispielhaft vorgeschlagen wird ein elektronisches Schutz- und Schaltgerät mit :
- Gehäuse mit netzseitigen und lastseitigen Anschlüssen
- Spannungssensoreinheit
- Stromsensoreinheit zur Messung des ( Last ) Stromes
- mechanische Trennkontakteinheit inkl . Handhabe ( inkl . Anzeige der Kontaktstellung, Auslöser durch die Elektronik, Trennereigenschaf ten)
- elektronische Unterbrechungseinheit mit halbleiterbasierten Schalt element en
- Steuerungseinheit
- die Funktions fähigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit wird überprüft ,
- durch die kontinuierliche Messung der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit . Hier kann z . B . im eingeschalteten Zustand festgestellt werden, ob z . B . ein Halbleiterbauelement durchgebrannt ist .
- indem die elektronische Unterbrechungseinheit kurz zeitig (<10ms , bevorzugt <lms , allgemein : <20ms , 50ms , 100ms , 200ms , 500ms oder 1 s ) bei geöf fneten Kontakten ein- und gleich wieder ausgeschaltet wird, und gleichzeitig Spannungsmesswerte und/oder Strommesswerte erfasst werden und diese so analysiert werden, dass eine durchlegierte oder durchgebrannte elektronische Unterbrechungseinheit erkannt wird bzw . durchlegierte oder durchgebrannte Schaltelemente erkannt werden .
Vorteilhaft wird zunächst erstmal gemessen, dann geschaltet und gemessen .
Es wird eine erste Spannungssensoreinheit / Spannungsmesseinheit über der elektronischen Unterbrechungseinheit vorgeschlagen, um die Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit zu bestimmen . Alternativ kann parallel zur zweiten Spannungssensoreinheit eine dritte Spannungssensoreinheit vorgesehen sein, die am lastseitigen Anschluss der elektronischen Unterbrechungseinheit , d . h . zwischen elektronischer Unterbrechungseinheit und mechanischer Trennkontakte Kontakteinheit vorgesehen ist , wobei diese einerseits mit dem Phasenleiter und andererseits mit dem Neutralleiter verbunden ist . Aus der Di f ferenzbildung der Spannungen zwischen zweiter und dritter Spannungssensoreinheit kann die erste Spannung ermittelt werden . Die erste Spannungssensor Einheit kann in diesem Fall entfallen .
Vorgeschlagen wird eine zusätzliche Messimpedanz , die zwischen den beiden Leitern / Strombahnen ( Phasenleiter L und Neutralleiter N) angebracht ist , um das elektrische Potential zwischen der elektronischen Unterbrechungseinheit EU und der mechanischen Trennkontakte Einheit für Mess zwecke zu definieren ( kein „floatendes" Potential . )
Vorgeschlagen wird ein Computerprogrammprodukt bzw . Algorithmus , der die elektronische Unterbrechungseinheit bzw . die halbleiterbasierten Schaltelemente zu geeigneten Zeitpunkten (Momentanwerten der Netzspannung) ein- und ausschaltet und gleichzeitig die gemessenen Strom- und Spannungswerte auswertet , um zu erkennen, dass die elektronische Unterbrechungseinheit funktions fähig bzw . nicht funktions fähig ist . Die Steuerungseinheit SE kann ( dazu) einen Mikrocontroller aufweisen . Auf dem Mikrocontroller kann das Computerprogrammprodukt ausgeführt werden . Das Computerprogrammprodukt umfasst Befehle , die bei der Aus führung des Programms durch den Mikrocontroller diesen veranlassen das Schutzschaltgerät zu steuern, insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren zu unterstützen, insbesondere durchzuführen .
Auf einem computerlesbaren Speichermedium, wie einer CD-ROM, einem USB-Stick oder ähnlichen, kann das Computerprogrammprodukt gespeichert sein .
Ferner kann ein Datenträgersignal , das das Computerprogrammprodukt überträgt , existieren .
Vorgeschlagen wird eine mechanische Trennkontakteinheit , die nicht eingeschaltet werden kann, solange die Steuerungseinheit kein Freigabesignal „enable" sendet .
Der Zeitpunkt für das Schalten der halbleiterbasierten Schaltelemente ( für die Überprüfung) richtet sich nach der Polarität der aktuell anliegenden Netzspannung, sodass gezielt einzelne Schaltelemente überprüft werden können . Des Weiteren kann der Momentanwert der Spannung bei der Auswahl des Zeitpunktes berücksichtigt werden .
Insbesondere sind :
- die erste Zeitspanne : sehr kurz bis kurz , 10 ps bis 1 s ,
- der erste Spannungsschwellwert : 5- 10% des Ef fektivwertes / RMS-Wertes der Nennspannung bzw . angelegten Wechselspannung bzw . des Momentanwertes der Wechselspannung; z . B . 10-20 V,
- der zweite Spannungsschwellwert : kleiner als 1 Volt ,
Zusammengefasst :
-Spannungsmessung über der elektronischen Unterbrechungseinheit bzw . Ermittlung des Spannungsabfalls über der elektronischen Unterbrechungseinheit EU ( z . B . über einen einfachen Spannungsteiler ) , - Hochohmige Meßimpedanz (bevorzugt R und/oder C ) zur Festlegung des elektrischen Potentials zwischen elektronischer Unterbrechungseinheit und mechanischer Trennkontakteinheit
- Spannungsermittlung über der elektronischen Unterbrechungs- einheit wird verwendet werden, um : einen durchlegierten oder durchgebrannten Zustand eines Leistungshalbleiters zu erkennen
- Freigabe der Möglichkeit zum Einschalten des mechanischen Trennkontakteinheit nach fehlerfreier Prüfung der elektroni- sehen Unterbrechungseinheit
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Aus führungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und an- dere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

34 Patentansprüche
1 . Schutzschaltgerät ( SG) zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis aufweisend :
- ein Gehäuse ( GEH) mit mindestens einem netzseitigen Anschluss und einem lastseitigen Anschluss ,
- eine mechanische Trennkontakteinheit (MK) , die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) geschaltet ist , wobei die mechanische Trennkontakteinheit dem lastseitigen Anschluss und die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) dem netzseitigen Anschluss zugeordnet ist ,
- dass die mechanische Trennkontakteinheit (MK) durch ein Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- einer Stromsensoreinheit ( S I ) , zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises ,
- einer Steuerungseinheit ( SE ) , die mit der Stromsensoreinheit ( S I ) , der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) verbunden ist , wobei bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenz- werten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird,
- dass zwischen zwei Leitern des Niederspannungsstromkreises eine Messimpedanz vorgesehen ist , wobei die Messimpedanz einerseits mit der Verbindung zwischen mechanischer Trennkontakteinheit (MK) und elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) verbunden ist ,
- dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist , dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geöf fneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) für eine 35 erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird .
2 . Schutzschaltgerät ( SG) nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist , dass für einen Leiter die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelbar ist .
3 . Schutzschaltgerät ( SG) nach Patentanspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist , dass bei geöf fneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit bei hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) ermittelt wird, dass bei Unterschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes eine erste Fehlerbedingung vorliegt , so dass ein niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird .
4 . Schutzschaltgerät ( SG) nach Patentanspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet , dass bei der Schaltung der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) für die erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt wird, dass bei Überschreiten eines zweiten Spannungsschwellwertes eine zweite Fehlerbedingung vorliegt , so dass ein weiteres niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird .
5 . Schutzschaltgerät ( SG) nach Patentanspruch 3 und 4 , dadurch gekennzeichnet , dass bei Vorliegen einer Fehlerbedingung ein Schließen der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) vermieden wird, insbesondere kein Freigabesignal (enable) an die mechanische Trennkontakteinheit (MK) abgegeben wird.
6. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Steuerungseinheit (SE) verbundene erste Spannungssensoreinheit (SUI) vorgesehen ist, die die Höhe einer ersten Spannung zwischen einem netzseitigen Verbindungspunkt (EUG) und einem lastseitigen Verbindungspunkt (EUL) der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) ermittelt.
7. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Steuerungseinheit (SE) verbundene zweite Spannungssensoreinheit (SU2) vorgesehen ist, die die Höhe einer zweiten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss (NG) und netzseitigen Phasenleiteranschluss (LG) ermittelt, dass eine mit der Steuerungseinheit verbundene dritte Spannungssensoreinheit (SU3) vorgesehen ist, die die Höhe einer dritten Spannung zwischen netzseitigen Neutralleiteranschluss (NG) und lastseitigen Verbindungspunkt (EUL) der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) ermittelt, dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist, dass aus der Differenz zwischen zweiter und dritter Spannung die Höhe einer ersten Spannung zwischen netzseitigen Verbindungspunkt (EUG) und lastseitigen Verbindungspunkt (EUL) der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) ermittelt wird.
8. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsensoreinheit (SI) stromkreisseitig zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und lastseitigen Phasenleiteranschluss vorgesehen ist.
9. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messimpedanz ein elektrischer Widerstand oder/und Kondensator ist.
10. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederspannungsstromkreis ein Dreiphasenwechselstromkreis ist und das Schutzschaltgerät mehrere netzseitige und lastseitige Phasenleiteranschlüsse aufweist, zwischen denen jeweils ein Kontakt der mechanischen Trennkontakteinheit und elektronische Unterbrechungseinheiten vorgesehen sind, sowie, insbesondere erste, Spannungssensoreinheiten vorgesehen sind, mit denen die Höhe der Spannung über der jeweiligen elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelbar ist.
11. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät (SG) derart ausgestaltet ist, dass die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) durch die Steuerungseinheit (SE) geöffnet, aber nicht geschlossen werden können.
12. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Trennkontakteinheit (MK) durch eine mechanische Handhabe bedienbar ist, um ein Öffnen von Kontakten oder ein Schließen der Kontakte zu schalten.
13. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Trennkontakteinheit (MK) derart ausgestaltet ist, dass ein Schließen der Kontakte durch die 38 mechanische Handhabe erst nach einer Freigabe ( enable ) , insbesondere einem Freigabesignal , möglich ist .
14 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass bei geschlossenen Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit und niederohmiger Unterbrechungseinheit und
- bei einem ermittelten Strom, der einen ersten Stromwert überschreitet , insbesondere dass der erste Stromwert für eine erste Zeitgrenze überschritten wird, die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit (MK) geschlossen bleibt ,
- bei einem ermittelten Strom, der einen zweiten Stromwert , insbesondere für eine zweite Zeitgrenze , überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit (MK) geöf fnet wird,
- bei einem ermittelten Strom, der einen dritten Stromwert überschreitet , die elektronische Unterbrechungseinheit hochohmig wird und die mechanische Trennkontakteinheit (MK) geöf fnet wird .
15 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerungseinheit ( SE ) einen Mikrocontroller aufweist .
16 . Verfahren für ein Schutzschaltgerät ( SG) zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis mit :
- einem Gehäuse ( GEH) mit mindestens einem netzseitigen Anschluss und einem lastseitigen Anschluss ,
- einer mechanische Trennkontakteinheit (MK) , die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) geschaltet ist , wobei die mechanische Trennkontakteinheit dem lastseitigen Anschluss und die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) dem netzseitigen Anschluss zugeordnet ist ,
- dass die mechanische Trennkontakteinheit (MK) durch ein 39
Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die elektronische Unterbrechungseinheit durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis , insbesondere zwischen netzseitigen Phasenleiteranschluss und lastseitigen Phasenleiteranschluss , ermittelt wird, dass bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitgrenz- werten eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird,
- dass zwischen zwei Leitern des Niederspannungsstromkreises eine Messimpedanz vorgesehen ist , wobei die Messimpedanz einerseits mit der Verbindung zwischen mechanischer Trennkontakteinheit (MK) und elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) verbunden ist ,
- dass zur Funktionsprüfung des Schutzschaltgerätes bei geöf fneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) für eine erste Zeitspanne in einen niederohmigen Zustand geschaltet wird .
17 . Verfahren nach Patentanspruch 16 , dadurch gekennzeichnet , dass bei geöf fneten Kontakten der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) und hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit (EU) die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt wird, dass bei Unterschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes eine erste Fehlerbedingung vorliegt , so dass ein niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird . 40
18 . Verfahren nach Patentanspruch 16 oder 17 , dadurch gekennzeichnet , dass bei der Schaltung der elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) für die erste Zeitspanne in den niederohmigen Zustand die Höhe der Spannung über der elektronischen Unterbrechungseinheit ermittelt wird, dass bei Überschreiten eines zweiten Spannungsschwellwertes eine zweite Fehlerbedingung vorliegt , so dass ein weiteres niederohmig werden der elektronischen Unterbrechungseinheit vermieden oder/und Schließen der Kontakte vermieden wird .
19 . Verfahren nach Patentanspruch 17 und 18 , dadurch gekennzeichnet , dass bei Vorliegen einer Fehlerbedingung ein manuelles Schließen der Kontakte durch eine Handhabe der mechanischen Trennkontakteinheit (MK) vermieden wird .
20 . Computerprogrammprodukt umfassend Befehle , die bei der Aus führung des Programms durch einen Mikrocontroller diesen veranlassen das Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 19 mit einem Schutzschaltgerät gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 15 zu unterstützen, insbesondere durchzuführen .
21 . Computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Patentanspruch 20 gespeichert ist .
22 . Datenträgersignal , das das Computerprogrammprodukt nach Patentanspruch 20 überträgt .
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