WO2024094399A1 - Schutzschaltgerät und verfahren - Google Patents

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WO2024094399A1
WO2024094399A1 PCT/EP2023/078218 EP2023078218W WO2024094399A1 WO 2024094399 A1 WO2024094399 A1 WO 2024094399A1 EP 2023078218 W EP2023078218 W EP 2023078218W WO 2024094399 A1 WO2024094399 A1 WO 2024094399A1
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phase
switching device
resistance
mechanical
low
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PCT/EP2023/078218
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Marvin TANNHÄUSER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02H3/0935—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current with timing means the timing being determined by numerical means

Definitions

  • the invention relates to the technical field of a protective switching device for a low-voltage circuit with electronic switches and a method for a protective switching device for a low-voltage circuit with electronic switches.
  • Low voltage refers to voltages of up to 1000 volts AC or up to 1500 volts DC. Low voltage refers in particular to voltages that are higher than extra-low voltage, with values of 50 volts AC or 120 volts DC.
  • a low-voltage circuit, network or system refers to circuits with nominal or rated currents of up to 125 amps, more specifically up to 63 amps.
  • a low-voltage circuit particularly refers to circuits with nominal or rated currents of up to 50 amps, 40 amps, 32 amps, 25 amps, 16 amps or 10 amps.
  • the current values mentioned particularly refer to nominal, rated and/or breaking currents, i.e. the maximum current that is normally carried through the circuit or at which the electrical circuit is usually interrupted, for example by a protective device such as a protective switching device, circuit breaker or power switch.
  • the nominal currents can be further staggered, from 0.5 A to 1 A, 2 A, 3 A, 4 A, 5 A, 6 A, 7 A, 8 A, 9 A, 10 A, etc. up to 16 A.
  • Circuit breakers have long been known overcurrent protection devices that are used in electrical installation technology in low-voltage circuits. They protect cables from damage caused by heating as a result of excessive current and/or short circuits.
  • a circuit breaker can protect the circuit in the event of an overload and/or short circuit. Circuit breaker switches off automatically.
  • a circuit breaker is a safety element that does not reset automatically.
  • circuit breakers are designed for currents greater than 125 A, and sometimes even as low as 63 amps. Miniature circuit breakers are therefore simpler and more delicate in design. Miniature circuit breakers usually have a mounting option for mounting on a so-called top hat rail (support rail, DIN rail, TH35).
  • Circuit breakers are electromechanical in design. They have a mechanical switching contact or shunt release in a housing to interrupt (trip) the electrical current.
  • a bimetal protective element or bimetal element is usually used to trip (interrupt) the circuit in the event of a prolonged overcurrent (overcurrent protection) or thermal overload (overload protection).
  • An electromagnetic release with a coil is used for brief tripping when an overcurrent limit is exceeded or in the event of a short circuit (short-circuit protection).
  • One or more arc quenching chambers or devices for arc quenching are provided. There are also connection elements for conductors of the electrical circuit to be protected.
  • Protective switching devices with an electronic interruption unit or an electronic switch are relatively new developments. They have a semiconductor-based electronic interruption unit/switch. This means that the electrical current flow of the low-voltage circuit is guided via semiconductor components or semiconductor switches, which interrupt the electrical current flow or can be switched to conduct.
  • Protective switching devices with an electronic interruption unit/switch also often have a mechanical isolating contact unit, in particular with isolating properties in accordance with the relevant standards for low-voltage circuits, whereby the contacts of the mechanical isolating contact unit are connected in series to the electronic interruption unit/electronic switches, i.e. the current of the low-voltage circuit to be protected is conducted via both the mechanical isolating contact unit and the electronic interruption unit.
  • the present invention relates in particular to low-voltage alternating current circuits with an alternating voltage, usually with a time-dependent sinusoidal alternating voltage with the frequency f.
  • a harmonic alternating voltage can be represented by the rotation of a pointer whose length corresponds to the amplitude (U) of the voltage.
  • the instantaneous deflection is the projection of the pointer onto a coordinate system.
  • One oscillation period corresponds to a full rotation 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 pointer.
  • the time-dependent value of the angular velocity w and the time t corresponds to the time-dependent angle cp ( t ) , which is also referred to as the phase angle cp ( t ).
  • the phase angle cp ( t ) periodically passes through the range O...2n or 0°...360°.
  • the object of the present invention is to improve a protective switching device of the type mentioned at the outset, in particular to demonstrate a new concept for a multi-phase protective switching device and to enable greater flexibility for a multi-phase protective switching device.
  • a protective switching device for protecting an electrical multiphase low-voltage alternating current circuit, in particular a three-phase alternating current circuit is proposed, having :
  • the mechanical phase contacts can be switched together to open in order to avoid a current flow or together to close in order to avoid a current flow, in particular the mechanical contacts are connected to one another via a mechanical coupling,
  • the electronic switches can be switched by means of semiconductor-based switching elements into a high-resistance state of the switching elements to prevent current flow or a low-resistance state of the switching elements to allow current flow,
  • a current sensor unit is provided for each series circuit. to determine the current level of the respective phase conductor. In particular, that instantaneous current values are determined and are available.
  • a control unit is provided which is connected to the current sensor units, the mechanical phase contacts and the electronic switches. If at least one current threshold value in a conductor is exceeded, the avoidance of a current flow in the conductor in question, in particular for a first period of time, is initiated by the electronic switch in question.
  • the first time period is less than 20 ms, in particular less than 10 ms.
  • the low-resistance in the area of the next zero passage at zero crossing, or in the range of 1ms before or after).
  • the protective switching device is designed such that when at least a second current threshold value, in particular an effective value, is exceeded in at least one phase conductor (or two phase conductors, in particular in three phase conductors), avoidance of a current flow is initiated by opening the contacts for at least a first period of time.
  • the second current threshold value can advantageously be higher in magnitude than the first current threshold value.
  • the first time period can be less than 100ms, 20ms, especially less than 10ms.
  • the mechanical phase contacts are part of a mechanical isolating contact unit which opens or closes the phase contacts together.
  • the mechanical isolating contact unit has a handle accessible on the protective switching device for manually opening or closing the phase contacts (of the mechanical isolating contact unit).
  • the protective switching device is designed such that the mechanical isolating contact unit is opened by the control unit, but cannot be closed.
  • the mechanical isolating contact unit can only be closed by the handle after it has been released by the control unit.
  • the electronic switches are part of an electronic interruption unit, wherein the electronic switches can be switched independently of one another.
  • the electronic interruption unit/the electronic switches have a bidirectional dielectric strength.
  • overvoltage protection is provided for the semiconductor-based switching elements.
  • the mechanical phase contacts are assigned to the load-side phase connections and the electronic switches are assigned to the mains-side phase connections.
  • the protective switching device has at least the following switching states:
  • the protective switching device has at least the following switching state:
  • the protective switching device has at least the following switching state:
  • the protective switching device has the following switching state:
  • measuring resistors R12, R13, R23 are provided between the phase conductors.
  • measuring resistors are provided between LI and L2, between L2 and L3 and between LI and L3.
  • the protective switching device has at least the following switching states: - all mechanical phase contacts open, all electronic switches high-resistance,
  • the protective switching device has at least the following switching states: -all mechanical phase contacts open, all electronic switches high-resistance,
  • the advantageous embodiments with regard to the switching states or the combination thereof have the particular advantage that new switching states of a protective switching device are provided in order to react individually and more flexibly to overcurrent conditions (short-circuit current conditions). This means that the reaction is not by switching off all phases, but rather it can be handled on a phase-by-phase basis, thus enabling a higher level of supply reliability in the low-voltage circuit.
  • a mains-side neutral conductor connection and a load-side neutral conductor connection are provided for a neutral conductor of the multi-phase low-voltage alternating current circuit.
  • the mains-side neutral conductor connection is connected to the load-side neutral conductor connection directly or via a neutral conductor contact.
  • This has the particular advantage that a multi-pole protective switching device is provided in which, if necessary, the neutral conductor is also galvanically interrupted.
  • the mechanical neutral conductor contact can be opened or closed together with the phase contacts.
  • the neutral conductor contact is closed before the phase contacts are closed or the neutral conductor contact is opened after the phase contacts are opened.
  • a voltage sensor unit is provided between each phase conductor and the neutral conductor in order to determine the level of the voltage between the respective phase and neutral conductor, in particular the instantaneous voltage values.
  • the voltage sensor units are connected to the control unit.
  • the protective switching device is designed such that when the control unit initiates a low-resistance switch (in particular when there is no overcurrent event, i.e. when the first or second current threshold is not exceeded; e.g. when the user initiates a low-resistance switch) of the (all) electronic switches, they become low-resistance one after the other when the voltage passes zero (or when the voltage is less than 50V, 25V, in particular less than 10V).
  • the protective switching device is designed such that when the control unit initiates a high-impedance event (in particular when there is no overcurrent event, i.e. when the first or second current threshold is not exceeded; e.g. when the user initiates a high-impedance event) of the (all) electronic switches, they become high-impedance one after the other when the voltage passes zero (or when the voltage is less than 50V, 25V, in particular less than 10V).
  • the protective switching device is designed in such a way that when (at least) the first current threshold value in a conductor is exceeded, the relevant electronic switch initiates the prevention of current flow in the relevant conductor. At the next or next but one zero crossing of the voltage, the electronic switch becomes low-resistance again in order to enable current flow.
  • the control unit is connected to the current sensor units, the voltage sensor units, the mechanical phase contacts and the electronic switches.
  • the method for a protective switching device (SG) for protecting a multiphase low voltage alternating current electrical circuit comprises: - Series connections of a mechanical phase contact (and an electronic switch, where each series connection electrically connects a mains-side phase connection with a load-side phase connection,
  • the electronic switches can be switched by means of semiconductor-based switching elements into a high-resistance state of the switching elements to avoid a current flow or a low-resistance state of the switching elements to allow current to flow, that the electronic switches can be switched independently of one another into a high-resistance or low-resistance state in order to (advantageously) avoid or enable a phase-conductor-dependent current flow.
  • the level of the current of the respective series circuit is determined and if at least one current threshold value in a series circuit is exceeded, avoidance of a current flow in the series circuit in question, in particular for a first period of time, is initiated by the electronic switch in question.
  • Figure 1 shows a first representation of a protective switching device
  • Figure 2 is a second representation of a protective switching device
  • Figure 3 is a third representation of a protective switching device.
  • Figure 1 shows an exemplary representation of a 3-pole, e.g. for 3-phase conductors, protective switching device SG for protecting an electrical multi-phase low-voltage alternating current circuit, in the example according to Figure 1 a three-phase low-voltage alternating current circuit, comprising:
  • a housing GEH with a first, second and third mains-side phase connection LG1, LG2, LG3 and a first, second and third load-side phase connection LL1, LL2, LL3, for the first, second and third phase conductors LI, L2, L3 of the low-voltage alternating current circuit, on the mains side Grid a power source is usually connected, on the load side Load a consumer is usually connected.
  • first series circuit SSI electrically connects the first mains-side phase connection LG1 with the first load-side phase connection LL1
  • second series circuit SS2 electrically connects the second mains-side phase connection LG2 with the second load-side phase connection LL2
  • third series circuit SS3 electrically connects the third mains-side phase connection LG3 with the third load-side phase connection LL3
  • the mechanical phase contacts Kl, K2, K3 can be switched together, i.e. they are opened together to prevent a current flow or closed together to allow a current flow, i.e. the mechanical contacts are connected to each other via mechanical coupling (e.g. switching shaft),
  • the electronic switches SI, S2, S3 can be switched by means of semiconductor-based switching elements into a high-resistance state of the switching elements to prevent current flow or a low-resistance state of the switching elements to allow current flow.
  • the first, second and third electronic switches can be switched independently of one another into a high-resistance or low-resistance state. This means that the first, second and third electronic switches are switched independently of one another into a high-resistance or low-resistance state. In particular, in order to avoid or enable a phase-conductor-dependent current flow.
  • a first, second and third current sensor unit Sil, SI2, SI3 are provided.
  • the first current sensor unit Sil is provided or arranged in the first series circuit SSI
  • the second current sensor unit SI2 is in the second series circuit SS2
  • the third current sensor unit SI3 is in the third series circuit SS3, for the respective determination of the level of the current of the first, second and third phase conductors LI, L2, L3, in particular that instantaneous current values are present.
  • the first mechanical phase contact K1, the second mechanical phase contact K2 and the third mechanical phase contact K3 are, according to Figure 1, part of a mechanical isolating contact unit MK, which opens or closes the phase contacts K1, K2, K3 together.
  • the mechanical isolating contact unit MK can have a handle HH accessible on the protective switching device for manual (operated by a person) opening or closing of the phase contacts.
  • the mechanical isolating contact unit MK corresponds, for example, to a classic unit as is known from electromechanical protective switching devices (circuit breakers, power switches) (although according to the invention without elements for overcurrent or short-circuit detection, such as bimetallic releases, etc.).
  • the protective switching device is designed in particular in such a way that the mechanical isolating contact unit MK can be opened by a control unit SE, but cannot be closed.
  • the mechanical isolating contact unit MK can only be closed by the handle HH after it has been released by the control unit SE.
  • a release unit LC can be provided for this purpose. This means that the contacts can only be closed by the handle HH when the release or a release signal (from the control unit) is present. Without the release or the release signal, the handle HH can be operated, but the contacts cannot be closed ("permanent slipping").
  • the release unit LC can further be designed such that an opening of the contacts K1, K2, K3 of the mechanical isolating contact unit MK is possible by a control signal from the control unit SE, as indicated in Figure 1 by an arrow from the control unit SE to the release unit LC.
  • the mechanical phase contacts Kl, K2, K3 are assigned to the load-side phase connections / the load side Load and the electronic switches SI, S2, S3 are assigned to the grid-side phase connections / grid side Grid.
  • the first electronic switch S1, the second electronic switch S2 and the third electronic switch S3 can be part of an electronic interruption unit EU, wherein the electronic switches S1, S2, S3 can be switched independently of one another.
  • the electronic interruption unit/the electronic switches can have a bidirectional voltage resistance.
  • an overvoltage protection is provided for the semiconductor-based switching elements in order to limit the voltages and thus provide protection for the semiconductor-based switching elements.
  • a control unit SE is provided (as already partially mentioned), which is connected to the current sensor units Sil, SI2, SI3, the mechanical phase contacts (Kl, K2, K3) or the mechanical isolating contact unit MK (as shown in Figure 1) and the electronic switches SI, S2, S3.
  • the current sensor units Sil, SI2, SI3 each determine the level of the current in their respective conductor, so that instantaneous values of the current are available.
  • the high resistance can occur especially for an initial period of time. After this period, the electronic switch in question can become low resistance again.
  • the low resistance can occur in particular in the next zero crossing or before or after the zero crossing of the voltage. (All 3 options: in the zero crossing, before the zero crossing or after the zero crossing - are possible, or when the amount falls below a voltage threshold, in particular 50V, 25V or 10V).
  • the first time period can in particular be less than 20 ms, especially less than 10 ms.
  • a differential current sensor unit ZCT can be provided, as shown in Figure 1, for detecting differential currents in the low-voltage alternating current circuit, as is known from residual current circuit breakers, for example.
  • the differential current sensor unit ZCT is connected to the control unit SE.
  • the current sensor units Sil, SI2, SI3 are arranged between the mains-side connections LG1, LG2, LG3 of the series connection of the electronic switch SI, S2, S3 and the mechanical phase contact Kl, K2, K3. Specifically, between the mains-side connections LG1, LG2, LG3 and the electronic switches SI, S2, S3.
  • the current sensor units Sil, SI2, SI3 can also be arranged in other ways. For example, between the electronic switch SI, S2, S3 and the mechanical phase contact Kl, K2, K3.
  • FIG. 2 shows a representation according to Figure 1, with the following differences.
  • a mains-side neutral conductor connection NG and a load-side neutral conductor connection NL are provided for a neutral conductor N of the multi-phase low-voltage alternating current circuit, in the example according to Figure 2 a three-phase low-voltage alternating current circuit with neutral conductor.
  • the mains-side neutral conductor connection NG is connected to the load-side neutral conductor connection NL via a neutral conductor contact KN.
  • mains-side neutral conductor connection NG can also be connected directly (i.e. without a switchable contact) to the load-side neutral conductor connection NL.
  • an electronic switch is not provided in the neutral conductor path in the housing of the protective switching device.
  • the neutral conductor connection between the mains-side neutral conductor connection NG and the load-side neutral conductor connection NL is free of electronic switches (electronic switch-free).
  • the mechanical neutral conductor contact KN can be switched together with the phase contacts Kl, K2, K3. This means that the mechanical neutral conductor contact KN can be opened or closed together with the phase contacts Kl, K2, K3, as explained above for the contacts Kl, K2, K3.
  • the mechanical isolating contact unit MK can be designed in such a way that the neutral conductor contact KN is closed before the phase contacts Kl, K2, K3 are closed. Similarly, the neutral conductor contact KN can be opened after the phase contacts Kl, K2, K3 are opened.
  • a power supply NT is provided, such as a power supply unit, for supplying power to the protective switching device SG, in particular the control unit SE.
  • the power supply NT is connected to the phase conductors LI, L2, L3 and (if applicable) the neutral conductor N. It can also be connected to only some of the conductors (at least two) for the power supply. In the example, the power supply NT is connected to the control unit SE.
  • control unit SE is combined with the electronic switches SI, S2, S3 and the current sensor units Sil, SI2, SI3, as shown in Figure 2.
  • a voltage sensor unit is provided between each phase conductor and the neutral conductor.
  • a first voltage sensor unit SUI is provided between the first phase conductor LI and the neutral conductor N
  • a second voltage sensor unit SU2 is provided between the second phase conductor L2 and the neutral conductor N
  • a third voltage sensor unit SU3 is provided between the third phase conductor L3 and the neutral conductor N, to determine the level of the voltage between the respective phase and neutral conductor, in particular the current tane voltage values are present.
  • SUI, SU2, SU3 are connected to the control unit SE.
  • the electronic switches can advantageously become low-resistance one after the other when the voltage passes through zero.
  • the electronic switches can advantageously become high-resistance one after the other when the voltage passes through zero.
  • the voltage sensor units SUI, SU2, SU3 are, as already mentioned, connected to the control unit SE, which is also connected to the current sensor units Sil, SI2, SI3, the mechanical phase contacts Kl, K2, K3 (or mechanical isolating contact unit MK) and the electronic switches (SI, S2, S3).
  • the protective switching device can also advantageously be designed in such a way that when at least a first current threshold value (especially the instantaneous value of the current) in a conductor is exceeded, the relevant electronic switch initiates the prevention of current flow in the conductor in question. At the next or next but one zero crossing of the voltage, the electronic switch becomes low-resistance again in order to enable current flow.
  • Figure 3 shows a representation according to Figure 2, with the difference that measuring resistors R12, R13, R23 are provided between the phase conductors within the protective switching device.
  • a first measuring resistor is provided between the first phase conductor LI and the second phase conductor L2.
  • the switching behavior of the electronic switches SI, S2, S3 can be checked using the measuring resistors (which can also be designed as measuring impedances, e.g. as resistance/capacitance or/and inductance combinations), for example by briefly switching on (ps, ms or small seconds range) the electronic switches with the contacts open, whereby a voltage corresponding to the measuring resistance (the measuring impedance) Measuring current (at respective instantaneous values of the voltage) is provided and verifiable.
  • the measuring resistors which can also be designed as measuring impedances, e.g. as resistance/capacitance or/and inductance combinations
  • the (optional) differential current sensor unit ZCT is not provided in this example (but could also be provided).
  • High resistance means a state in which only a negligible current flows.
  • high resistance means resistance values of greater than 1 kiloohm, preferably greater than 10 kiloohms, 100 kiloohms, 1 megaohm, 10 megaohms, 100 megaohms, 1 gigaohm or greater.
  • Low resistance means a state in which the current value specified on the protective switching device could flow.
  • low resistance means resistance values that are less than 10 ohms, preferably less than 1 ohm, 100 milliohms, 10 milliohms, 1 milliohm or less.
  • the electronic switches SI, S2, S3, or the electronic interruption unit EU can have semiconductor components such as bipolar transistors, field effect transistors (FET), isolated gate bipolar transistors (IGBT), metal oxide layer field effect transistors (MOSFET) or other (self-commutated) power semiconductors.
  • FET field effect transistors
  • IGBT isolated gate bipolar transistors
  • MOSFET metal oxide layer field effect transistors
  • IGBTs and MOSFETs in particular are particularly well suited for the electronic switches (as semiconductor-based switching elements) due to their low forward resistance, high junction resistance and good switching behavior.
  • the protective switching device therefore contains electronic and mechanical components.
  • the sensible arrangement of all the components required for safe operation is one point.
  • several switching combinations are possible by combining electronic switches and mechanical contacts.
  • the protective switching device has three mains-side and three load-side connections / four mains-side and four load-side connections.
  • the device contains a 3 or 4-pole mechanical isolating contact system. The contacts are mechanically coupled to one another and can only be opened or closed together.
  • An electronic switch is located in series with the mechanical contact in the phase conductors. Unlike the mechanical contacts, these are switched on or off independently of one another.
  • a current sensor unit is also provided in the phase conductors (not in the neutral conductor N).
  • a conventional three-pole or four-pole protective device today (essentially) has only two switching states: On or Off.
  • the new hybrid switching states enable the protective switching device to react differently to specific load cases or faults than before. It can therefore be advantageous to only use one or two of the corresponding loads in a specific fault situation. to bring the electronic switch contained in the device into the high-impedance (off) state. When switching loads on and off, it can also be advantageous to carry out a switching sequence in which only one or two of the electronic switches are switched on at times.
  • Switching on can be achieved, for example, by switching the electronic switches on one after the other at the zero crossing of the voltage (i.e. not at the same time, but at the respective zero crossing of the voltage of the respective phase / phase conductor.
  • a switch-off process could also take place in an analogous manner.
  • phases can be switched off (high impedance) for a short time, for example for testing purposes.
  • the number of hybrid states or hybrid states occurring in a unit of time can be counted and if a limit is exceeded, all electronic switches can become high-resistance (or/and the mechanical contacts can be opened).
  • the protective switching device therefore has, as an example, in one variant (3- or 4-pole), at least the following switching states: -(1) all mechanical phase contacts open, all electronic switches high resistance,
  • the protective switching device therefore has, as an example, in another variant (3- or 4-pole), at least the following switching states:
  • the protective switching device in another variant has the following switching states: -(1) all mechanical phase contacts open, all electronic switches high resistance,
  • the protective switching device further comprises at least one, the first three (10, 11, 12) or all of the following switching states: -(10) all mechanical phase contacts open, the first electronic switch and the second electronic switch low-resistance, the third electronic switch high-resistance, -(11) all mechanical phase contacts open, the second electronic switch and the third electronic switch low-resistance, the first electronic switch high-resistance, -(12) all mechanical phase contacts open, the first electronic switch and the third electronic switch low-resistance, the second electronic switch high-resistance, - ( 13 ) all mechanical phase contacts open, the first, second and third electronic switches low resistance.
  • the protective switching device has at least the following switching states:
  • the protective switching device is characterized, for example, by at least the following new switching state: - all mechanical (phase) contacts closed, some of the electronic switches have low resistance, the other part of the electronic switches have high resistance.
  • Mechanical contacts or mechanical isolating contact unit MK particularly mean a (standard-compliant) isolating function, implemented by the isolating contact unit MK.
  • the isolating function includes the following points: -Minimum air gap according to standard (minimum distance between contacts), -Contact position indicator of the contacts of the mechanical isolating contact unit contact unit,
  • the minimum air gap between the contacts of the isolating contact unit is essentially voltage dependent. Other parameters are the degree of contamination, the type of field (homogeneous, inhomogeneous), and the air pressure or altitude above sea level.
  • the standards DIN EN 60947 and IEC 60947 are relevant for the isolating function and its properties, to which reference is made here.
  • the isolating contact unit is advantageously characterized by a minimum clearance of the open isolating contacts in the position (open position, open contacts) depending on the rated impulse withstand voltage and the degree of pollution.
  • the minimum clearance is in particular between (at least) 0.01 mm and 14 mm.
  • the minimum clearance is advantageously between 0.01 mm at 0.33 kV and 14 mm at 12 kV, in particular especially for pollution level 1 and especially for inhomogeneous fields.
  • the minimum air distance can have the following values:
  • the pollution levels and field types correspond to those defined in the standards. This makes it advantageous to achieve a standard-compliant protective switching device dimensioned according to the rated impulse withstand voltage.
  • mechanical isolating contact unit does not refer to a relay contact.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schutzschaltgerät (SG) zum Schutz eines elektrischen Mehrphasen- Niederspannungswechselstromkreises aufweisend: - Serienschaltungen eines mechanischen Phasen-Kontaktes (K1, K2, K3) und eines elektronischen Schalters (S1, S2, S3), wobei jeweils eine Serienschaltung einen netzseitigen Phasen- Anschluss (LG1, LG2, LG3) mit einen lastseitigen Phasen- Anschluss (LL1, LL2, LL3) elektrisch verbindet, - dass die mechanischen Phasen-Kontakte (K1, K2, K3) zur Vermeidung eines Stromflusses gemeinsam geöffnet oder für einen Stromfluss gemeinsam geschlossen werden können, - dass die elektronischen Schalter (S1, S2, S3) mittels halbleiterbasierter Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss geschaltet werden können, dass die elektronischen Schalter unabhängig voneinander in einen hochohmigen oder niederohmigen Zustand geschaltet werden können, um einen phasenleiterabhängigen Stromfluss zu vermeiden oder zu ermöglichen.

Description

Beschreibung
Schutzschaltgerät und Verfahren
Die Erfindung betri f ft das technische Gebiet eines Schutz- schaltgerätes für einen Niederspannungsstromkreis mit elektronischen Schaltern und ein Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit elektronischen Schaltern .
Mit Niederspannung sind Spannungen von bis zu 1000 Volt Wechselspannung oder bis zu 1500 Volt Gleichspannung gemeint . Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen gemeint , die größer als die Kleinspannung, mit Werten von 50 Volt Wechselspannung bzw . 120 Volt Gleichspannung, sind .
Mit Niederspannungsstromkreis bzw . -netz oder -anlage sind Stromkreise mit Nennströmen bzw . Bemessungsströmen von bis zu 125 Ampere , spezi fischer bis zu 63 Ampere gemeint . Mit Niederspannungsstromkreis sind insbesondere Stromkreise mit Nennströmen bzw . Bemessungsströmen von bis zu 50 Ampere , 40 Ampere , 32 Ampere , 25 Ampere , 16 Ampere oder 10 Ampere gemeint . Mit den genannten Stromwerten sind insbesondere Nenn- , Bemessungs- oder/und Abschaltströme gemeint , d . h . der Strom der im Normal fall maximal über den Stromkreis geführt wird bzw . bei denen der elektrische Stromkreis üblicherweise unterbrochen wird, beispielsweise durch eine Schutzeinrichtung, wie ein Schutzschaltgerät , Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter . Die Nennströme können sich weiter staf feln, von 0 , 5 A über 1 A, 2 A, 3 A, 4 A, 5 A, 6 A, 7 A, 8 A, 9 A, 10 A, usw . bis 16 A.
Leitungsschutzschalter sind seit langem bekannte Überstromschutzeinrichtungen, die in der Elektroinstallationstechnik in Niederspannungsstromkreisen eingesetzt werden . Diese schützen Leitungen vor Beschädigung durch Erwärmung infolge zu hohen Stromes und/oder Kurzschluss . Ein Leitungsschutzschalter kann den Stromkreis bei Überlast und/oder Kurz- Schluss 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 Überström (Überstromschutz ) respektive bei thermischer Überlast (Überlastschut z ) eingesetzt . Ein elektromagnetischer Auslöser mit einer Spule wird zur kurz zeitigen Auslösung bei Überschreiten eines Uberstrom- grenzwerts 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 bzw . einem elektronischen Schalter sind relativ neuartige Entwicklungen . Diese weisen eine halbleiterbasierte elektronische Unterbrechungseinheit / Schalter 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 / Schalter weisen ferner häufig eine mechanische Trennkontakteinheit auf , insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß einschlägigem Normen für Niederspannungsstromkreise , wobei die Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit / elektronischen Schaltern geschaltet sind, d.h. der Strom des zu schützenden Niederspannungsstromkreises wird sowohl über die mechanische Trennkontakteinheit 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. : w = 2n*f = 2n/T = Kreisfrequenz der Wechselspannung (T = Periodendauer der Schwingung)
Häufig wird die Angabe der Kreisfrequenz (w) gegenüber der Frequenz (f) bevorzugt, da sich viele Formeln der Schwingungslehre aufgrund des Auftretens trigonometrischer Funktio- nen, deren Periode per Definition 2n ist, mit Hilfe der Kreisfrequenz kompakter darstellen lassen: u ( t ) = U * sin (wt)
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 w und der Zeit t dem zeitabhängigen Winkel cp ( t ) , der auch als Phasenwinkel cp ( t ) bezeichnet wird. D.h. der Phasenwinkel cp ( t ) durchläuft periodisch den Bereich O...2n bzw. 0°...360°. D.h. der Phasenwinkel nimmt periodisch einen Wert zwischen 0 und 2n bzw. 0° und 360° an (cp = n* (0...2n) bzw. cp = n* ( 0 °...360 ° ) , wegen Periodizität; verkürzt: cp = O...2n bzw. cp = 0°...360° ) .
Mit momentanem Spannungswert u(t) ist folglich der momentane Wert der Spannung zum Zeitpunkt t, d.h. bei einer sinusförmigen (periodischen) Wechselspannung der Wert der Spannung zum Phasenwinkel cp gemeint (cp = O...2n bzw. cp = 0°...360°, der jeweiligen Periode) . Analoges gilt bezüglich momentaner Stromwerte i ( t ) etc .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schutzschaltgerät eingangs genannter Art zu verbessern, insbesondere ein neues Konzept für ein mehrphasiges Schutzschaltgerät aufzuzeigen sowie eine höhere Flexibilität für ein mehrphasiges Schutzschaltgerät zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Schutzschaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 17 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Mehrphasen-Nieder Spannungswechsel s t romkrei ses , insbesondere Dreiphasen-Wechselstromkreises , vorgeschlagen, aufweisend :
- ein Gehäuse , mit netzseitigen Phasen-Anschlüssen und lastseitigen Phasen-Anschlüssen für Phasen-Leiter des Niederspannungswechselstromkreises ( zum Anschluss externer Leiter an die Anschlüsse des Gehäuses ) ,
- Serienschaltungen eines mechanischen Phasen-Kontaktes und eines elektronischen Schalters , wobei j eweils eine Serienschaltung einen der netzseitigen Phasen-Anschlüsse mit einen der lastseitigen Phasen- Anschlüsse elektrisch verbindet ,
- dass die mechanischen Phasen-Kontakte zur Vermeidung eines Stromflusses gemeinsam zum Öf fnen oder für einen Stromfluss gemeinsam zum Schließen schaltbar sind, insbesondere sind die mechanischen Kontakte über eine mechanische Kopplung miteinander verbunden,
- dass die elektronischen Schalter mittels halbleiterbasierter Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss schaltbar sind,
- dass die elektronischen Schalter unabhängig voneinander in einen hochohmigen oder niederohmigen Zustand schaltbar sind . Dies hat den Vorteil , dass die Phasenleiter unabhängig voneinander in den hochohmigen oder niederohmigen Zustand geschaltet werden können . Bisherige Schutzschaltgeräte , insbesondere die weit verbreiteten klassischen elektromechanischen Schutzschaltgeräte ( Leitungsschutzschalter, Leistungsschalter, Fehlerstromschutzschalter ) weisen diese Möglichkeit nicht auf , da die dortige mechanische Trennkontakteinheit alle Kontakte gleichzeitig öf fnet oder schließt (mehrpolige Geräte ) .
Somit wird eine höhere Flexibilität eines Schutzschaltgerätes und ein flexibleres Schaltverhalten ermöglicht .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und im Aus führungsbeispiel angegeben .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist für j ede Serienschaltung j eweils eine Stromsensoreinheit vorgese- hen, zur j eweiligen Ermittlung der Höhe des Stromes des j eweiligen Phasen-Leiters . Insbesondere , dass momentane Stromwerte ( ermittelt werden und) vorliegen .
In einer vorteilhaften Weiterführung dessen ist eine Steuerungseinheit vorgesehen ist , die mit den Stromsensoreinheiten, den mechanischen Phasen-Kontakten und den elektronischen Schaltern verbunden ist . Bei Überschreitung mindestens eines Stromschwellwertes in einem Leiter wird eine Vermeidung eines Stromflusses des betref fenden Leiters , insbesondere für eine erste Zeitspanne , durch den betref fenden elektronischen Schalter initiiert .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass bei Überschreitung einer festgelegten Stromschwelle bzw . eines Strom- Zeitschwellwertes ( d . h . der Stromschwellwert wird für eine definierte Zeitdauer überschritten) eine selektive Unterbrechung nur des betrof fenen Leiters erfolgt (bzw . der betreffenden Leiter ) . In den anderen Leitern (nicht betrof fenen Leitern) in einem mehrphasigen Niederspannungswechselstromkreis wird weiterhin ein Stromfluss ermöglicht .
Durch die Vermeidung für eine erste Zeitspanne erfolgt vorteilhaft ein Wiedereinschalten bzw . niederohmig werden nach der ersten Zeitspanne , so dass die Versorgungssicherheit weiter gewährleistet wird bzw . auf das Vorliegen der Überschreitung der Stromschwelle weiter geprüft werden kann . Insbesondere durch die Auswertung von Momentanwerten der Höhe des Stromes kann dies vorteilhaft durchgeführt werden .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Zeitspanne kleiner als 20 ms , insbesondere kleiner als 10 ms .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass für eine Halbwelle bzw . Vollwelle der Spannung bzw . des Stromes im Wechselstromkreis , im Beispiel ( 20ms , 10ms ) bezogen auf eine Netz frequenz von 50 Hz , eine Unterbrechung erfolgt , so dass mit der nächsten Voll- bzw . Halbwelle die elektrische Versorgungssicherheit wieder gegeben wird . Insbesondere kann nach einer Unterbrechung das niederohmig werden im Bereich des nächsten Null- durchganges ( im Nulldurchgang, bzw . im Bereich von 1ms davor oder danach) erfolgen .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass bei Überschreitung mindestens eines zweiten Stromschwellwertes , insbesondere eines Ef fektivwertes , in mindestens einem Phasenleiter (bzw . zwei Phasen-Leitern, insbesondere in drei Phasen- Leitern) für mindestens eine erste Zeitdauer eine Vermeidung eines Stromflusses durch Öf fnen der Kontakte initiiert wird . Der zweite Stromschwellwert kann vorteilhaft betragsmäßig höher als der erste Stromschwellwert sein .
Die erste Zeitdauer kann kleiner als 100ms , 20ms , insbesondere kleiner 10ms sein .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass bei einen fehlerhaften niederohmig bleiben eines bzw . der elektronischen Schalter und damit folgender Überschreitung des zweiten Stromschwellwertes eine Vermeidung des Stromflusses im Niederspannungswechselstromkreises initiiert wird und somit die Sicherheit im Stromkreis erhöht wird .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die mechanischen Phasen-Kontakte Teil einer mechanischen Trennkontakteinheit , die die Phasen-Kontakte gemeinsam öf fnet oder schließt . Insbesondere weist die mechanische Trennkontakteinheit eine am Schutzschaltgerät zugängliche Handhabe auf , zum manuellen Öf fnen oder Schließen der Phasen-Kontakte ( der mechanischen Trennkontakteinheit ) .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine komplette galvanische Trennung aller Phasen-Leiter gleichzeitig voll zogen wird, im Gegensatz zu einem phasenbezogenen stromflussvermeidenden hochohmig werden der elektronischen Schalter . Durch die Handhabe wird ein kompatibles Verhalten gemäß klassischer elektromechanischer Schutzschaltgeräte ermöglicht .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass die mechanische Trennkontakteinheit durch die Steuerungseinheit geöf fnet , aber nicht geschlossen werden kann . Insbesondere ist ein Schließen der mechanischen Trennkontakteinheit durch die Handhabe erst nach einer Freigabe durch die Steuerungseinheit möglich .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine erhöhte Sicherheit des Schutzschaltgerätes gegeben ist , da die Steuerungseinheit die Kontakte nicht versehentlich ( fehlerhaft ) schließen kann .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die elektronischen Schalter Teil einer elektronischen Unterbrechungseinheit , wobei die elektronischen Schalter unabhängig voneinander schaltbar sind .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine kompakte elektronische Unterbrechungseinheit gegeben ist , die die elektronischen Schalter zusammenfasst , so dass ein raumsparendes Design ermöglicht wird und Synergieef fekte von Komponenten genutzt werden können .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die elektronische Unterbrechungseinheit / die elektronischen Schalter eine bidirektionale Spannungs festigkeit auf . Insbesondere ist ein Uberspannungsschut z für die halbleiterbasierten Schaltelemente vorgesehen .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine Robustheit gegen Überspannungen gegeben ist und die Abschaltung eines induktiven Leitungskreises möglich ist .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die mechanischen Phasen-Kontakte den lastseitigen Phasen- Anschlüssen und die elektronischen Schalter den netzseitigen Phasen-Anschlüssen zugeordnet .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass ein vorteilhaftes Design gegeben ist , das ein phasenbezogenes Schalten der elektronischen Schalter unterstützt , sowie einen Selbsttest ( insbesondere einen Selbsttest der elektronischen Schalter bzw . der elektronischen Unterbrechungseinheit ) , auch bei geöf fneten Kontakten, ermöglicht . Ferner wird eine Energieversorgung des Schutzschaltgerätes , auch bei geöf fneten Kontakten, sichergestellt .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Schutzschaltgerät mindestens die folgenden Schalt zustände auf :
-alle mechanischen Phasen-Kontakte geöf fnet , alle elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter niederohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, einer der elektronischen Schalter niederohmig, die weiteren elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, ein elektronischer Schalter hochohmig, die weiteren elektronischen Schalter niederohmig .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Schutzschaltgerät mindestens den folgenden Schaltzustand auf :
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, ein Teil der elektronischen Schalter niederohmig, der andere Teil der elektronischen Schalter hochohmig .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Schutzschaltgerät mindestens den folgenden Schaltzustand auf :
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geöf fnet , ein Teil der elektronischen Schalter niederohmig, der andere Teil der elektronischen Schalter hochohmig, insbesondere das zwei elektronische Schalter niederohmig sind und der ( /die ) andere elektronische Schalter hochohmig ist . Alternativ oder zusätzlich weist das Schutzschaltgerät den folgenden Schalt zustand auf :
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geöf fnet , alle elektronischen Schalter niederohmig . Insbesondere werden diese Schalt zustande dann vorgesehen, wenn zwischen den Phasenleitern Messwiderstände R12 , R13 , R23 vorgesehen sind . Dazu sind in einer Ausgestaltung zwischen LI und L2 , zwischen L2 und L3 sowie zwischen LI und L3 Messwiderstände vorgesehen .
Diese Schalt zustände sind vorteilhaft für die Überprüfung der Ein- oder Ausschaltbarkeit der elektronischen Schalter vorgesehen . D . h . die elektronischen Schalter werden bei geöf fneten mechanischen Phasen-Kontakten kurz zeitig ein- bzw . ausgeschaltet , um eine Überprüfung der Funktions fähigkeit (hinsichtlich Ein- oder ( /und) Ausschaltbarkeit ) durchzuführen . Hierbei fließt über die j eweiligen Messwiderstände ein Messstrom .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Mehrphasen-Niederspannungswechselstromkreises ein Drei- phasen-Niederspannungswechselstromkreises ist , d . h . bei dem ein erster, zweiter und dritter elektronischer Schalter vorgesehen ist , womit vorteilhaft eine Lösung für ein klassisches Drehstrom-Netz gegeben ist , weist das Schutzschaltgerät mindestens die folgenden Schalt zustände auf : -alle mechanischen Phasen-Kontakte geöf fnet , alle elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter niederohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der erste elektronische Schalter niederohmig, der zweite und dritte elektronische Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der zweite elektronische Schalter niederohmig, der erste und dritte elektronische Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der dritte elektronische Schalter niederohmig, der erste und zweite elektronische Schalter hochohmig . In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Mehrphasen-Niederspannungswechselstromkreises ein Dreiphasen-Niederspannungswechselstromkreises ist , d . h . bei dem ein erster, zweiter und dritter elektronischer Schalter vorgesehen ist , weist das Schutzschaltgerät mindestens die folgenden Schalt zustande auf : -alle mechanischen Phasen-Kontakte geöf fnet , alle elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter niederohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der erste und zweite elektronische Schalter niederohmig, der dritte elektronische Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der erste und dritte elektronische Schalter niederohmig, der zweite elektronische Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der zweite und dritte elektronische Schalter niederohmig, der erste elektronische Schalter hochohmig .
Die vorteilhaften Ausgestaltungen bezüglich der Schalt zustande bzw . die Kombination derer, haben den besonderen Vorteil , dass neue Schalt zustande eines Schutzschaltgerätes gegeben sind, um individuell und flexibler auf Überstrombedingungen (Kurzschlussstrombedingungen) zu reagieren . So wird nicht mit einer Abschaltung aller Phasen reagiert , sondern es kann phasenbezogen gehandelt werden, so dass eine höhere Versorgungssicherheit im Niederspannungsstromkreis ermöglicht wird .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein netzseitiger Neutralleiter-Anschluss und ein lastseitiger Neutralleiter-Anschluss vorgesehen, für einen Neutralleiter des Mehrphasen-Niederspannungswechselstromkreises .
Der netzseitige Neutralleiter-Anschluss ist direkt oder über einen Neutralleiter-Kontakt mit dem lastseitigen Neutralleiter-Anschluss verbunden . Dies hat den besonderen Vorteil , dass ein mehrpoliges Schutzschaltgerät gegeben ist , bei dem gegebenenfalls auch der Neutralleiter galvanisch unterbrochen wird .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mechanische Neutralleiter-Kontakt gemeinsam mit den Phasen- Kontakten öf fenbar oder schließbar . Insbesondere wird vor dem Schließen der Phasen-Kontakte der Neutralleiter-Kontakt geschlossen oder nach dem Öf fnen der Phasen-Kontakte der Neutralleiter-Kontakt geöf fnet .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass der Neutralleiter- Kontakt stets stromlos öf fnet und schließt . Dies verringert den Verschleiß des Kontaktes und erhöht die Lebensdauer . Des Weiteren wird hierdurch das Auftreten eines Lichtbogens beim Öf fnen des Neutralleiter-Kontaktes vermieden .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen j edem Phasenleiter und dem Neutralleiter j eweils eine Spannungssensoreinheit vorgesehen ist , zur Ermittlung der Höhe der Spannung zwischen dem j eweiligen Phasen- und Neutralleiter, insbesondere das momentane Spannungswerte vorliegen . Die Spannungssensoreinheiten sind mit der Steuerungseinheit verbunden .
In einer vorteilhaften Weiterführung der Ausgestaltung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass bei einem durch die Steuerungseinheit initiierten niederohmig werden ( insbesondere bei fehlendem Vorliegen eines Überstromereignisses , d . h . wenn der erste oder zweite Stromschwellwert nicht überschritten wird; z . B . bei einem benutzerseitig initiierten niederohmig werden) der ( aller ) elektronischen Schalter diese nacheinander beim j eweiligen Nulldurchgang der Spannung (bzw . bei einer Spannung, die kleiner als 50V, 25V, insbesondere kleiner 10V ist ) niederohmig werden .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass die Netzrückwirkungen reduziert werden und die Abschaltbelastung im Schalter geringer ist . In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass bei einem durch die Steuerungseinheit initiierten hochohmig werden ( insbesondere bei fehlendem Vorliegen eines Überstromereignisses , d . h . wenn der erste oder zweite Stromschwellwert nicht überschritten wird; z . B . bei einem benutzerseitig initiierten hochohmig werden) der ( aller ) elektronischen Schalter diese nacheinander beim j eweiligen Nulldurchgang der Spannung (bzw . bei einer Spannung, die kleiner als 50V, 25V, insbesondere kleiner 10V ist ) hochohmig werden .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass die Netzrückwirkungen reduziert werden und die Abschaltbelastung im Schalter geringer ist .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass bei Überschreitung (mindestens ) des ersten Stromschwellwertes in einem Leiter eine Vermeidung eines Stromflusses des betref fenden Leiters durch den betref fenden elektronischen Schalter initiiert wird . Beim nächsten oder übernächsten Nulldurchgang der Spannung wird der elektronische Schalter wieder niederohmig, um einen Stromfluss zu ermöglichen . Die Steuerungseinheit ist hierbei mit den Stromsensoreinheiten, den Spannungssensoreinheiten, den mechanischen Phasen-Kontakten und den elektronischen Schaltern verbunden .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine erhöhte Robustheit gegen Fehlauslösungen erreicht wird und somit eine erhöhte elektrische Versorgungssicher erreicht wird .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Verfahren (Verfahrensansprüche ) für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit elektronischen (halbleiterbasierten) Schaltern / Schaltelementen mit den gleichen und weiteren Vorteilen beansprucht .
Das Verfahren für ein Schutzschaltgerät ( SG) zum Schutz eines elektrischen Mehrphasen-Nieder Spannungswechsel Stromkreises weist auf : - Serienschaltungen eines mechanischen Phasen-Kontaktes (und eines elektronischen Schalters , wobei j eweils eine Serienschaltung einen netzseitigen Phasen- Anschluss mit einen lastseitigen Phasen-Anschluss elektrisch verbindet ,
- dass die mechanischen Phasen-Kontakte zur Vermeidung eines Stromflusses gemeinsam geöf fnet oder für einen Stromfluss gemeinsam geschlossen werden können,
- dass die elektronischen Schalter mittels halbleiterbasierter Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss geschaltet werden können, dass die elektronischen Schalter unabhängig voneinander in einen hochohmigen oder niederohmigen Zustand geschaltet werden können, um (vorteilhaft ) einen phasenleiterabhängigen Stromfluss zu vermeiden oder zu ermöglichen .
Vorteilhaft wird die Höhe des Stromes der j eweiligen Serienschaltung ermittelt und bei Überschreitung mindestens eines Stromschwellwertes in einer Serienschaltung wird eine Vermeidung eines Stromflusses der betref fenden Serienschaltung, insbesondere für eine erste Zeitspanne , durch den betref fenden elektronischen Schalter initiiert .
Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw . 17 , als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, insbesondere auch ein Rückbezug der anhängigen Anordnungsansprüche auf den unabhängigen Verfahrensanspruch, bewirken eine Verbesserung eines Schutzschaltgerätes , insbesondere eine Erhöhung der Flexibilität eines Schutz- schaltgerätes sowie eine Erhöhung der Versorgungssicherheit des elektrischen Stromkreises , und stellen ein neues Konzept für ein Schutzschaltgerät bereit .
Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Aus führungsbeispiele , die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden .
Dabei zeigt die Zeichnung :
Figur 1 eine erste Darstellung eines Schutzschaltgerätes ,
Figur 2 eine zweite Darstellung eines Schutzschaltgerätes , Figur 3 eine dritte Darstellung eines Schutzschaltgerätes .
Figur 1 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines 3-poligen, z . B . für 3-Phasenleiter , Schutzschaltgerätes SG zum Schutz eines elektrischen Mehrphasen- Niederspannungswechselstromkreises , im Beispiel gemäß Figur 1 eines Dreiphasen-Niederspannungswechselstromkreises , aufweisend :
- ein Gehäuse GEH mit einem ersten, zweiten und dritten netzseitigen Phasen-Anschluss LG1 , LG2 , LG3 und einem ersten, zweiten und dritten lastseitigen Phasen-Anschluss LL1 , LL2 , LL3 , für den ersten, zweiten und dritten Phasen-Leiter LI , L2 , L3 des Niederspannungswechselstromkreises , an der Netzseite Grid ist üblicherweise eine Energiequelle angeschlossen, an der Lastseite Load ist üblicherweise ein Verbraucher angeschlossen . Im Gehäuse GEH :
- eine erste Serienschaltung SS I eines ersten mechanischen Phasen-Kontaktes Kl und eines ersten elektronischen Schalters Sl , eine zweite Serienschaltung SS2 eines zweiten mechanischen Phasen-Kontaktes K2 und eines zweiten elektronischen Schalters S2 , eine dritte Serienschaltung SS3 eines dritten mechanischen Phasen-Kontaktes K3 und eines dritten elektronischen Schalters S3 , wobei : die erste Serienschaltung SSI den ersten netzseitigen Phasen- Anschluss LG1 mit dem ersten lastseitigen Phasen-Anschluss LL1, die zweite Serienschaltung SS2 den zweiten netzseitigen Phasen-Anschluss LG2 mit dem zweiten lastseitigen Phasen- Anschluss LL2 und die dritte Serienschaltung SS3 den dritten netzseitigen Phasen-Anschluss LG3 mit dem dritten lastseitigen Phasen- Anschluss LL3 elektrisch verbindet,
- die mechanischen Phasen-Kontakte Kl, K2, K3 sind gemeinsam schaltbar, d.h. werden zur Vermeidung eines Stromflusses gemeinsam geöffnet oder für einen Stromfluss gemeinsam geschlossen, d.h. die mechanischen Kontakte sind über mechanische Kopplung (z.B. Schaltwelle) miteinander verbunden,
- die elektronischen Schalter SI, S2, S3 sind mittels halbleiterbasierter Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss schaltbar .
Erfindungsgemäß sind der erste, zweite und dritte elektronische Schalter unabhängig voneinander in einen hochohmigen oder niederohmigen Zustand schaltbar. D.h. der erste, zweite und dritte elektronische Schalter werden unabhängig voneinander in einen hochohmigen oder niederohmigen Zustand geschaltet. Insbesondere um einen phasenleiterabhängigen Stromfluss zu vermeiden oder zu ermöglichen.
Gemäß Figur 1 sind eine erste, zweite und dritte Stromsensoreinheit Sil, SI2, SI3 vorgesehen. Die erste Stromsensoreinheit Sil ist in der ersten Serienschaltung SSI, die zweite Stromsensoreinheit SI2 ist in der zweiten Serienschaltung SS2 und die dritte Stromsensoreinheit SI3 ist in der dritten Serienschaltung SS3 vorgesehen bzw. angeordnet, zur jeweiligen Ermittlung der Höhe des Stromes des ersten, zweiten und dritten Phasen-Leiters LI, L2, L3, insbesondere, dass momentane Stromwerte vorliegen. Der erste mechanische Phasen-Kontakt Kl , der zweite mechanische Phasen-Kontakt K2 und der dritte mechanische Phasen- Kontakt K3 sind gemäß Figur 1 Teil einer mechanischen Trennkontakteinheit MK, die die Phasen-Kontakte Kl , K2 , K3 gemeinsam öf fnet oder schließt . Die mechanische Trennkontakteinheit MK kann eine am Schutzschaltgerät zugängliche Handhabe HH aufweisen, zum manuellen ( durch eine Person betätigten) Öf fnen oder Schließen der Phasen-Kontakte . Die mechanische Trennkontakteinheit MK entspricht beispielsweise einer klassischen Einheit , wie sie von elektromechanischen Schutzschaltgeräten ( Leitungsschutzschaltern, Leistungsschaltern) bekannt ist ( allerdings erfindungsgemäß ohne Elemente zur Überstrom- oder Kurzschlusserkennung, wie Bimetallauslöser etc . )
Das Schutzschaltgerät ist insbesondere derart ausgestaltet , dass die mechanische Trennkontakteinheit MK durch eine Steuerungseinheit SE geöf fnet , aber nicht geschlossen werden kann . Insbesondere ist ein Schließen der mechanischen Trennkontakteinheit MK durch die Handhabe HH erst nach einer Freigabe durch die Steuerungseinheit SE möglich ist . Hierfür kann eine Freigabeeinheit LC vorgesehen sein . D . h . durch die Handhabe HH können erst bei Vorliegen der Freigabe bzw . eines Freigabesignals (von der Steuerungseinheit ) die Kontakte geschlossen werden . Ohne die Freigabe bzw . das Freigabesignal kann die Handhabe HH zwar betätigt , die Kontakte aber nicht geschlossen werden ( „Dauerrutscher" ) .
Die Freigabeeinheit LC kann ferner derart ausgestaltet sein, dass ein Öf fnen der Kontakte Kl , K2 , K3 der mechanischen Trennkontakteinheit MK durch ein Steuersignal der Steuerungseinheit SE möglich ist , wie in Figur 1 durch einen Pfeil von der Steuerungseinheit SE zu Freigabeeinheit LC angedeutet .
Gemäß Figur 1 sind die mechanischen Phasen-Kontakte Kl , K2 , K3 den lastseitigen Phasen-Anschlüssen / der Lastseite Load und die elektronischen Schalter S I , S2 , S3 den netzseitigen Phasen-Anschlüssen / Netzseite Grid zugeordnet . Der erste elektronische Schalter Sl, der zweite elektronische Schalter S2 und der dritte elektronische Schalter S3 können Teil einer elektronischen Unterbrechungseinheit EU sein, wobei die elektronischen Schalter SI, S2, S3 unabhängig voneinander schaltbar sind.
Die elektronische Unterbrechungseinheit / die elektronischen Schalter können eine bidirektionale Spannungsfestigkeit aufweisen. Speziell ist ein Uberspannungsschut z für die halbleiterbasierten Schaltelemente vorgesehen, um die Spannungen zu begrenzen und somit einen Schutz für die halbleiterbasierten Schaltelemente zu haben.
Es ist eine Steuerungseinheit SE vorgesehen (wie schon teilweise erwähnt) , die mit den Stromsensoreinheiten Sil, SI2, SI3, den mechanischen Phasen-Kontakten (Kl, K2, K3) bzw. der mechanischen Trennkontakteinheit MK (wie in Figur 1 eingezeichnet) und den elektronischen Schaltern SI, S2, S3 verbunden ist.
Die Stromsensoreinheiten Sil, SI2, SI3 ermitteln jeweils die Höhe des Stromes ihres jeweiligen Leiters, so dass insbesondere Momentanwerte des Stromes vorliegen.
Bei Überschreitung mindestens eines ersten Stromschwellwertes in einem Leiter wird eine Vermeidung des Stromflusses des betreffenden Leiters durch hochohmig werden des elektronischen Schalters initiiert.
Das hochohmig sein kann insbesondere für eine erste Zeitspanne erfolgen. Nach der Zeitspanne kann der betreffende elektronische Schalter wieder niederohmig werden.
Das niederohmig werden kann insbesondere im nächsten Nulldurchgang bzw. vor oder nach dem Nulldurchgang der Spannung erfolgen. (Alle 3 Optionen: im Nulldurchgang, vor dem Nulldurchgang oder nach dem Nulldurchgang - sind möglich, bzw. bei betragsmäßiger Unterschreitung einer Spannungsschwelle, insbesondere 50V, 25V oder 10V) .
Die erste Zeitspanne kann insbesondere kleiner als 20 ms, speziell kleiner als 10 ms sein. Es kann eine Differenzstromsensoreinheit ZCT vorgesehen sein, wie in Figur 1 eingezeichnet, zur Erfassung von Differenzströmen des Niederspannungswechselstromkreises, wie sie z.B. aus Fehlerstromschutzschaltern bekannt ist. Die Differenzstromsensoreinheit ZCT ist mit der Steuerungseinheit SE verbunden .
Die Stromsensoreinheiten Sil, SI2, SI3 sind im Beispiel gemäß Figur 1 zwischen netzseitigen Anschlüssen LG1, LG2, LG3 der Serienschaltung des elektronischen Schalters SI, S2, S3 und dem mechanischen Phasen-Kontakt Kl, K2, K3 angeordnet. Konkret zwischen netzseitigen Anschlüssen LG1, LG2, LG3 und den elektronischen Schaltern SI, S2, S3. Die Stromsensoreinheiten Sil, SI2, SI3 können auch anderweitig angeordnet sein. Z.B. zwischen elektronischen Schalter SI, S2, S3 und mechanischen Phasen-Kontakt Kl, K2, K3.
Figur 2 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 1, mit den nachfolgenden Unterschieden.
Es ist ein netzseitiger Neutralleiter-Anschluss NG und ein lastseitiger Neutralleiter-Anschluss NL vorgesehen, für einen Neutralleiter N des Mehrphasen- Niederspannungswechselstromkreises , im Beispiel gemäß Figur 2 ein Dreiphasen-Niederspannungswechselstromkreises mit Neutralleiter. Gemäß Figur 2 ist der netzseitige Neutralleiter-Anschluss NG über einen Neutralleiter-Kontakt KN mit dem lastseitigen Neutralleiter-Anschluss NL verbunden.
Alternativ kann der netzseitige Neutralleiter-Anschluss NG auch direkt (d.h. ohne schaltbaren Kontakt) mit dem lastseitigen Neutralleiter-Anschluss NL verbunden sein.
Ein elektronischer Schalter ist in diesem Beispiel im Neutralleiter-Pfad im Gehäuse des Schutzschaltgerätes nicht vorgesehen. D.h. Die Neutralleiterverbindung zwischen netzseitigen Neutralleiter-Anschluss NG und lastseitigen Neutralleiter-Anschluss NL ist frei von elektronischen Schaltern (Elektronikschalterfrei) . Vorteilhaft kann der mechanische Neutralleiter-Kontakt KN gemeinsam mit den Phasen-Kontakten Kl, K2, K3 geschaltet werden. D.h. der mechanische Neutralleiter-Kontakt KN ist gemeinsam mit den Phasen-Kontakten Kl, K2, K3 öffenbar oder schließbar, wie weiter obenstehend zu den Kontakten Kl, K2, K3 ausgeführt.
Speziell kann die mechanische Trennkontakteinheit MK derart ausgestaltet sein, dass vor dem Schließen der Phasen-Kontakte Kl, K2, K3 der Neutralleiter-Kontakt KN geschlossen wird. Analog kann nach dem Öffnen der Phasen-Kontakte Kl, K2, K3 der Neutralleiter-Kontakt KN geöffnet werden.
Weiterhin ist eine Energieversorgung NT vorgesehen, wie beispielsweise ein Netzteil vorgesehen, zur Energieversorgung des Schutzschaltgerätes SG, insbesondere der Steuerungseinheit SE.
Die Energieversorgung NT ist im Beispiel einerseits mit den Phasenleitern LI, L2, L3 sowie (ggfs.) dem Neutralleiter N verbunden. Sie kann auch nur mit einem Teil der Leiter (mindestens zwei) zur Energieversorgung verbunden sein. Die Energieversorgung NT ist im Beispiel andererseits mit der Steuerungseinheit SE verbunden.
Zum anderen ist die Steuerungseinheit SE zusammengefasst mit den elektronischen Schaltern SI, S2, S3 und den Stromsensoreinheiten Sil, SI2, SI3, wie in Figur 2 dargestellt .
Weiterhin ist zwischen jedem Phasenleiter und dem Neutralleiter jeweils eine Spannungssensoreinheit vorgesehen ist. Zwischen ersten Phasenleiter LI und Neutralleiter N ist eine erste Spannungssensoreinheit SUI, zwischen zweiten Phasenleiter L2 und Neutralleiter N ist eine zweite Spannungssensoreinheit SU2 und zwischen dritten Phasenleiter L3 und Neutralleiter N ist eine dritte Spannungssensoreinheit SU3 vorgesehen, zur Ermittlung der Höhe der Spannung zwischen dem jeweiligen Phasen- und Neutralleiter, insbesondere das momen- tane Spannungswerte vorliegen. Die Spannungssensoreinheiten
SUI, SU2, SU3 sind mit der Steuerungseinheit SE verbunden.
Bei einem durch die Steuerungseinheit SE initiierten niederohmig werden der elektronischen Schalter SI, S2, S3, beispielsweise :
- bei einem benutzerseitig initiierten niederohmig werden oder
- bei einem durch das Schutzschaltgerät initiierten niederohmig werden, speziell bei fehlendem Vorliegen eines Überstromereignisses (d.h. wenn der erste oder zweite Stromschwellwert nicht überschritten wird) , z.B. wenn eine interne Überprüfungsfunktion (zur internen Überprüfung) des Schutzschaltgerätes ein niederohmig werden initiiert,
=> können vorteilhaft die elektronischen Schalter nacheinander beim jeweiligen Nulldurchgang der Spannung niederohmig werden .
Bei einem durch die Steuerungseinheit SE initiierten hochohmig werden der elektronischen Schalter SI, S2, S3, beispielsweise :
- bei einem benutzerseitig initiierten hochohmig werden oder
- bei einem durch das Schutzschaltgerät initiierten hochohmig werden, speziell bei fehlendem Vorliegen eines Überstromereignisses (d.h. wenn der erste oder zweite Stromschwellwert nicht überschritten wird) , z.B. wenn eine interne Überprüfungsfunktion (zur internen Überprüfung) des Schutzschaltgerätes ein hochohmig werden initiiert,
=> können vorteilhaft die elektronischen Schalter nacheinander beim jeweiligen Nulldurchgang der Spannung hochohmig werden .
Die Spannungssensoreinheiten SUI, SU2, SU3 sind hierzu, wie bereits genannt, mit der Steuerungseinheit SE verbunden, die ferner mit den Stromsensoreinheiten Sil, SI2, SI3, den mechanischen Phasen-Kontakten Kl, K2, K3 (bzw. mechanische Trennkontakteinheit MK) und den elektronischen Schaltern (SI, S2, S3) verbunden ist. Das Schutzschaltgerät kann ferner vorteil- haft derart ausgestaltet sein, dass bei Überschreitung mindestens eines ersten Stromschwellwertes (speziell Momentanwert des Stromes) in einem Leiter eine Vermeidung eines Stromflusses des betreffenden Leiters durch den betreffenden elektronischen Schalter initiiert wird. Beim nächsten oder übernächsten Nulldurchgang der Spannung wird der elektronische Schalter wieder niederohmig, um einen Stromfluss zu ermöglichen .
Dies kann für mehrere Male erfolgen, bis eine erste Anzahl an Wiederholungen überschritten ist. Dann können: a) alle elektronischen Schalter hochohmig werden, oder (/und) b) die Kontakte geöffnet werden (galvanische Trennung) .
Beliebige Kombinationen (Zwischenkombinationen) aus den Darstellungen der beispielhaften Schutzschaltgeräte gemäß Figur 1 und 2 sind möglich (z.B. Energieversorgung NT aus Figur 2 in Figur 1 , etc . ) .
Figur 3 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 2, mit dem Unterschied, dass zwischen den Phasenleitern Messwiderstände R12, R13, R23 innerhalb des Schutzschaltgerätes vorgesehen sind. Dazu ist in einer Ausgestaltung zwischen erstem Phasenleiter LI und zweitem Phasenleiter L2 ein erster Messwiderstand
(bzw. Messimpedanz) R12, zwischen zweitem Phasenleiter L2 und drittem Phasenleiter L3 ein zweiter Messwiderstand (bzw. Messimpedanz) R23 sowie zwischen erstem Phasenleiter LI und drittem Phasenleiter L3 ein dritter Messwiderstand (bzw. Messimpedanz) R13 vorgesehen.
So kann insbesondere bei fehlendem Nullleiter (3 poliges Schutzschaltgerät) eine Überprüfung des Schaltverhaltens der elektronischen Schalter SI, S2, S3 mittels der Messwiderstände (die auch als Messimpedanzen, d.h. z.B. als Widerstands- /Kapazitäts- oder/und Induktivitäts-Kombinationen ausgeführt sein können) durchgeführt werden, beispielsweise durch kurzzeitiges Einschalten (ps, ms oder kleiner Sekunden-Bereich) der elektronischen Schalter bei geöffneten Kontakten, wobei ein dem Messwiderstand (der Messimpedanz) entsprechender Messstrom (bei jeweiligen Momentanwerten der Spannung) vorgesehen und überprüfbar ist.
Die (optionale) Differenzstromsensoreinheit ZCT ist in diesem Beispiel nicht vorgesehen (könnte aber ebenso vorgesehen sein) .
Mit hochohmig ist ein Zustand gemeint, bei dem nur noch ein Strom vernachlässigbarer Größe fließt. Insbesondere sind mit hochohmig Widerstandswerte von größer als 1 Kiloohm, besser größer als 10 Kiloohm, 100 Kiloohm, 1 Megaohm, 10 Megaohm, 100 Megaohm, 1 Gigaohm oder größer gemeint.
Mit niederohmig ist ein Zustand gemeint, bei dem der auf dem Schutzschaltgerät angegebene Stromwert fließen könnte. Insbesondere sind mit niederohmig Widerstandswerte gemeint, die kleiner als 10 Ohm, besser kleiner als 1 Ohm, 100 Milliohm, 10 Milliohm, 1 Milliohm oder kleiner sind.
Die elektronischen Schalter SI, S2, S3, bzw. die elektronische Unterbrechungseinheit EU kann Halbleiterbauelemente wie Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren (FET) , Isolated Gate Bipolartransistoren (IGBT) , Metall Oxid Schicht Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder andere (selbstgeführte) Leistungshalbleiter aufweisen. Insbesondere IGBT's und MOSFET' s eignen sich auf Grund geringer Durchflusswiderstände, hoher Sperrschichtwiderstände und eines guten Schaltverhaltens besonderes gut für die elektronischen Schalter (als halbleiterbasierte Schaltelemente) .
Das erfindungsgemäße Schutzschaltgerät enthält somit elektronische und mechanische Komponenten. Die sinnvolle Anordnung aller benötigter Komponenten für einen sicheren Betrieb ist ein Punkt. Des Weiteren sind mehrere Schaltkombinationen durch die Kombination von elektronischem Schalter und mechanischen Kontakten möglich.
Das Schutzschaltgerät verfügt im Beispiel über jeweils drei netzseitige und drei lastseitige Anschlüsse / vier netzseiti- ge und vier lastseitige Anschlüsse. Im Gerät befindet sich im Beispiel ein 3 oder 4-poliges mechanisches Trennkontaktsystem. Die Kontakte sind miteinander mechanisch gekoppelt und können nur gemeinsam geöffnet oder geschlossen werden.
In den Phasen-Leitern befindet sich in Serie zum mechanischen Kontakt ein elektronischer Schalter. Diese werden, anders als die mechanischen Kontakte, unabhängig voneinander ein- oder ausgeschaltet. Des Weiteren ist in den Phasen-Leitern (nicht im Neutral-Leiter N) eine Stromsensoreinheit vorgesehen.
Ein konventionelles z.B. dreipoliges oder vierpoliges Schutzgerät hat heute (im Wesentlichen) nur zwei Schalt zustände : Ein oder Aus .
Erfindungsgemäß werden, im Beispiel für ein dreipoliges (für z.B. 3-Phasenleiter ) oder vierpoliges (für z.B. 3- Phasenleiter und einen Neutralleiter) Schutzschaltgerät weitere Schalt zustände vorgeschlagen, siehe nachfolgenden Tabelle .
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Neben den heute bekannten Schalt zuständen Aus (OFF) , Ein (ON) , gibt es weitere Zustände wie Bereitschaft (Standby) , Hybrid 1, 2, 3, Hybrid 12, 13, 23. Des Weiteren sind Testzu-
5 stände (Test 1, Test 2, Test 3, Test 4) für die elektronischen Schalter vorgesehen.
Verallgemeinerungen für zweiphasige oder vierphasige / mehrphasige Geräte sind daraus möglich.
10 Durch die neuen hybriden Schalt zustände kann das Schutzschaltgerät anders als bisher auf spezielle Lastfälle oder Fehlerfälle reagieren. Es kann somit von Vorteil sein, in einem bestimmten Fehlerfall nur einen oder auch zwei der ent- haltenen elektronischen Schalter in den hochohmigen (Aus ) Zustand zu bringen . Auch beim Ein- und Ausschalten von Lasten kann es von Vorteil sein, eine Schaltsequenz durchzuführen, in der zweitweise nur einer oder auch zwei der enthaltenen elektronischen Schalter einzuschalten .
Das Einschalten kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die elektronischen Schalter nacheinander im Nulldurchgang der Spannung eingeschaltet werden ( also nicht zum gleichen Zeitpunkt , sondern zum j eweiligen Nulldurchgang der Spannung der j eweiligen Phase / des j eweiligen Phasenleiters .
Ebenso könnte analog ein Ausschaltvorgang verlaufen .
Dadurch lassen sich reduzierte Netzrückwirkungen erreichen und die Ausschaltbelastung im Schaltgerät ( insbesondere im elektronischen Schalter ) reduzieren .
Überstromereignisse (Überschreitung Stromschwellwert ) lassen sich pro Phase / Phasenleiter behandeln . So werden auch die elektronischen Schalter vor einer Überlast geschützt .
Ebenso können Phasen kurz , beispielsweise zu Testzwecken, weggeschaltet (hochohmig) werden .
Die Anzahl der hybriden Zustände bzw . der in einer Zeiteinheit auftretenden hybriden Zustände kann gezählt werden und bei Überschreitung einer Grenzanzahl , können alle elektronischen Schalter hochohmig werden ( oder/und die mechanischen Kontakte geöf fnet werden .
Bei einphasigen Verbrauchern kann eine höhere Verfügbarkeit bereitgestellt werden ( Fehler nur auf einer Phase , Wegschalten nur der einen Phase , Weiterbetreiben der anderen Phasen) .
Das Schutzschaltgerät weist folglich als Beispiel in einer Variante ( 3- oder 4-polig) mindestens die folgenden Schaltzustände auf : -(1) alle mechanischen Phasen-Kontakte geöffnet, alle elektronischen Schalter hochohmig,
-(2) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter niederohmig,
-(3) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter hochohmig,
-(4) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der erste elektronische Schalter niederohmig, der zweite und dritte elektronische Schalter hochohmig,
-(5) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der zweite elektronische Schalter niederohmig, der erste und dritte elektronische Schalter hochohmig,
-(6) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der dritte elektronische Schalter niederohmig, der erste und zweite elektronische Schalter hochohmig.
Das Schutzschaltgerät weist folglich als Beispiel in einer weiteren Variante (3- oder 4-polig) mindestens die folgenden Schalt zustande auf:
-(1) alle mechanischen Phasen-Kontakte geöffnet, alle elektronischen Schalter hochohmig,
-(2) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter niederohmig,
-(3) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter hochohmig,
-(7) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der erste und zweite elektronische Schalter niederohmig, der dritte elektronische Schalter hochohmig,
-(8) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der erste und dritte elektronische Schalter niederohmig, der zweite elektronische Schalter hochohmig,
-(9) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der zweite und dritte elektronische Schalter niederohmig, der erste elektronische Schalter hochohmig.
Das Schutzschaltgerät weist folglich als Beispiel in einer weiteren Variante (3- oder 4-polig) die folgenden Schaltzustände auf : -(1) alle mechanischen Phasen-Kontakte geöffnet, alle elektronischen Schalter hochohmig,
-(2) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter niederohmig,
-(3) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter hochohmig,
-(4) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der erste elektronische Schalter niederohmig, der zweite und dritte elektronische Schalter hochohmig,
-(5) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der zweite elektronische Schalter niederohmig, der erste und dritte elektronische Schalter hochohmig,
-(6) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der dritte elektronische Schalter niederohmig, der erste und zweite elektronische Schalter hochohmig,
-(7) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der erste und zweite elektronische Schalter niederohmig, der dritte elektronische Schalter hochohmig,
-(8) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der erste und dritte elektronische Schalter niederohmig, der zweite elektronische Schalter hochohmig,
-(9) alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, der zweite und dritte elektronische Schalter niederohmig, der erste elektronische Schalter hochohmig.
Das Schutzschaltgerät weist folglich als Beispiel in einer Variante (insbesondere 3-polig) weiterhin mindestens einen, die ersten drei (10, 11, 12) oder alle der folgenden Schaltzustände auf: -(10) alle mechanischen Phasen-Kontakte geöffnet, der erste elektronische Schalter und der zweite elektronische Schalter niederohmig, der dritte elektronische Schalter hochohmig, -(11) alle mechanischen Phasen-Kontakte geöffnet, der zweite elektronische Schalter und der dritte elektronische Schalter niederohmig, der erste elektronische Schalter hochohmig, -(12) alle mechanischen Phasen-Kontakte geöffnet, der erste elektronische Schalter und der dritte elektronische Schalter niederohmig, der zweite elektronische Schalter hochohmig, - ( 13 ) alle mechanischen Phasen-Kontakte geöf fnet , der erste , zweite und dritte elektronische Schalter niederohmig .
D . h . allgemein gesagt weist das Schutzschaltgerät beispielsweise mindestens die folgenden Schalt zustände auf :
-alle mechanischen Kontakte geöf fnet , alle elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter niederohmig,
- alle mechanischen Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Kontakte geschlossen, einer der elektronischen Schalter niederohmig, die weiteren elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Kontakte geschlossen, ein elektronischer Schalter hochohmig, die weiteren elektronischen Schalter niederohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geöf fnet , ein Teil der elektronischen Schalter niederohmig, der andere Teil der elektronischen Schalter hochohmig,
( insbesondere das zwei elektronische Schalter niederohmig sind und der ( /die ) weitere elektronische Schalter hochohmig ist ) ,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geöf fnet , alle elektronischen Schalter niederohmig .
Allgemein ist das Schutzschaltgerät beispielsweise durch mindestens den folgenden neuen Schalt zustand gekennzeichnet : - alle mechanischen ( Phasen- ) Kontakte geschlossen, ein Teil der elektronischen Schalter niederohmig, der andere Teil der elektronischen Schalter hochohmig .
Mit mechanischen Kontakten bzw . mechanischer Trennkontakteinheit MK ist insbesondere eine (normgerechte ) Trennfunktion gemeint , realisiert durch die Trennkontakteinheit MK . Mit Trennfunktion sind die Punkte : -Mindestluf tstrecke nach Norm (Mindestabstand der Kontakte ) , -Kontaktstellungsanzeige der Kontakte der mechanischen Trenn- kontakteinheit ,
-Betätigung / Unterbrechung der Kontakte der mechanischen Trennkontakteinheit (durch die Steuerungseinheit) immer möglich (keine (dauerhafte) Blockierung der Kontakte in den geschlossenen Zustand durch die Handhabe möglich) , gemeint .
Hinsichtlich der Mindestluf tstrecke zwischen den Kontakten der Trennkontakteinheit ist diese im Wesentlichen spannungsabhängig. Weitere Parameter sind der Verschmutzungsgrad, die Art des Feldes (homogen, inhomogen) , und der Luftdruck bzw. die Höhe über Normalnull.
Für diese Mindestluf tstrecken bzw. Kriechstrecken gibt es entsprechende Vorschriften bzw. Normen. Diese Vorschriften geben beispielsweise bei Luft für eine Stoßspannungsfestigkeit die Mindestluf tstrecke für ein inhomogenes und ein homogenes (ideales) elektrisches Feld in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad an. Die Stoßspannungsfestigkeit ist die Festigkeit beim Anlegen einer entsprechenden Stoßspannung. Nur bei Vorliegen dieser Mindestlänge (Mindeststrecke ) weist die Trennkontakteinheit bzw. Schutzschaltgerät eine Trennfunktion (Trennereigenschaft) auf.
Im Sinne der Erfindung sind hierbei für die Trennerfunktion und deren Eigenschaften der Normenreihe DIN EN 60947 bzw. IEC 60947 einschlägig, auf die hier durch Referenz Bezug genommen wird .
Die Trennkontakteinheit ist vorteilhafterweise durch eine Mindestluf tstrecke der geöffneten Trennkontakte in der Ausstellung (Geöffnet Stellung, geöffnete Kontakte) in Abhängigkeit von der Bemessungsstoßspannungsfestigkeit und dem Verschmutzungsgrad gekennzeichnet. Die Mindestluf tstrecke beträgt insbesondere zwischen (im Minimum) 0,01 mm und 14 mm. Insbesondere beträgt vorteilhafterweise die Mindestluf tstrecke zwischen 0,01 mm bei 0,33 kV und 14 mm bei 12 kV, insbe- sondere für Verschmutzungsgrad 1 sowie insbesondere für inhomogene Felder .
Vorteilhafterweise kann die Mindestluf tstrecke die folgenden Werte aufweisen :
E DIN EN 60947-1 (VDE 0660-100):2018-06
Tabelle 13 - Mindestluftstrecken
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Figure imgf000033_0002
Die Verschmutzungsgrade und Feldarten entsprechen den in den Normen definierten . Dadurch lässt vorteilhafterweise ein entsprechend der Bemessungsstoßspannungs festigkeit dimensioniertes normgerechtes Schutzschaltgerät erzielen .
Mit mechanischer Trennkontakteinheit ist insbesondere kein Relaiskontakt gemeint .
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 ande- re Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Schutzschaltgerät (SG) zum Schutz eines elektrischen Mehr- phasen-Nieder Spannungswechsel Stromkreises aufweisend :
- ein Gehäuse (GEH) , mit netzseitigen Phasen-Anschlüssen (LG1, LG2, LG3) und lastseitigen Phasen-Anschlüssen (LL1, LL2, LL3) für Phasen-Lei ter (LI, L2, L3) des Niederspannungswechselstromkreises,
- Serienschaltungen (SSI, SS2, SS3) eines mechanischen Pha- sen-Kontaktes (Kl, K2, K3) und eines elektronischen Schalters (SI, S2, S3) , wobei jeweils eine Serienschaltung (SSI, SS2, SS3) einen der netzseitigen Phasen-Anschlüsse (LG1, LG2, LG3) mit einen der lastseitigen Phasen-Anschlüsse (LL1, LL2, LL3) elektrisch verbindet,
- dass die mechanischen Phasen-Kontakte (Kl, K2, K3) zur Vermeidung eines Stromflusses gemeinsam zum Öffnen oder für einen Stromfluss gemeinsam zum Schließen schaltbar sind,
- dass die elektronischen Schalter (SI, S2, S3) mittels halbleiterbasierter Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss schaltbar sind,
- dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist, dass die elektronischen Schalter (SI, S2, S3) unabhängig voneinander in einen hochohmigen oder niederohmigen Zustand schaltbar sind .
2. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Serienschaltung (SSI, SS2, SS3) jeweils eine Stromsensoreinheit (Sil, SI2, SI3) vorgesehen ist, zur jeweiligen Ermittlung der Höhe des Stromes des jeweiligen Phasen-Leiters (LI, L2, L3) , insbesondere derart, dass momentane Stromwerte vorliegen.
3. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinheit (SE) vorgesehen ist, die mit den Stromsensoreinheiten (Sil, SI2, SI3) , den mechanischen Pha- sen-Kontakten (Kl, K2, K3) und den elektronischen Schaltern (SI, S2, S3) verbunden ist, dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreitung mindestens eines ersten Stromschwellwertes in einem Phasen-Leiter eine Vermeidung eines Stromflusses des betreffenden Phasen-Leiters , insbesondere für eine erste Zeitspanne, durch den betreffenden elektronischen Schalter initiiert wird.
4. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zeitspanne kleiner als 20 ms, insbesondere kleiner als 10 ms ist.
5. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung mindestens eines zweiten Stromschwellwertes in mindestens einem Phasenleiter für mindestens eine erste Zeitdauer eine Vermeidung eines Stromflusses durch Öffnen der Kontakte initiiert wird.
6. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Phasen-Kontakte (Kl, K2, K3) Teil einer mechanischen Trennkontakteinheit (MK) sind, die die Kontakte gemeinsam öffnet oder schließt, insbesondere, dass die mechanische Trennkontakteinheit (MK) eine am Schutzschaltgerät zugängliche Handhabe (HH) aufweist, zum manuellen Öffnen oder Schließen der Phasen-Kontakte.
7. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist, dass die mechanische Trennkontakteinheit (MK) durch eine/die Steue- rungseinheit ( SE ) geöf fnet , aber nicht geschlossen werden kann, insbesondere , dass ein Schließen der mechanischen Trennkontakteinheit durch die Handhabe erst nach einer Freigabe durch die Steuerungseinheit ( SE ) möglich ist .
8 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die mechanischen Phasen-Kontakte (Kl , K2 , K3 ) den lastseitigen Phasen-Anschlüssen und die elektronischen Schalter ( S I , S2 , S3 ) den netzseitigen Phasen-Anschlüssen zugeordnet sind .
9. Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass das Schutzschaltgerät mindestens die folgenden Schaltzustände aufweist :
-alle mechanischen Phasen-Kontakte geöf fnet , alle elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter niederohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, alle elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, einer der elektronischen Schalter niederohmig, die weiteren elektronischen Schalter hochohmig,
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, ein elektronischer Schalter hochohmig, die weiteren elektronischen Schalter niederohmig, insbesondere dass das Schutzschaltgerät den folgenden Schaltzustand aufweist :
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geöf fnet , mindestens zwei elektronische Schalter niederohmig .
10 . Schutzschaltgerät ( SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät mindestens den folgenden Schaltzustand aufweist:
- alle mechanischen Phasen-Kontakte geschlossen, ein Teil der elektronischen Schalter niederohmig, der andere Teil der elektronischen Schalter hochohmig.
11. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein netzseitiger Neutralleiter-Anschluss (NG) und ein lastseitiger Neutralleiter-Anschluss (NL) vorgesehen ist, für einen Neutralleiter des Mehrphasen- Nieder Spannungswechsel Stromkreises .
12. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der netzseitige Neutralleiter-Anschluss (NG) über einen Neutralleiter-Kontakt (KN) mit dem lastseitigen Neutralleiter-Anschluss (NL) verbunden ist.
13. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Neutralleiter-Kontakt (KN) gemeinsam mit den Phasen-Kontakten (Kl, K2, K3) öffenbar oder schließbar ist, insbesondere, dass vor dem Schließen der Phasen-Kontakte (Kl, K2, K3) der Neutralleiter-Kontakt (KN) geschlossen wird oder dass nach dem Öffnen der Phasen-Kontakte (Kl, K2, K3) der Neutralleiter-Kontakt (KN) geöffnet wird.
14. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Phasenleiter und dem Neutralleiter jeweils eine mit einer/der Steuerungseinheit (SE) verbundene Spannungssensoreinheit vorgesehen ist (SUI, SU2, SU3) , zur Ermittlung der Höhe der Spannung zwischen dem jeweiligen Pha- sen- und Neutralleiter, insbesondere das momentane Spannungswerte vorliegen, dass bei einem durch die Steuerungseinheit (SE) initiierten niederohmig werden der elektronischen Schalter (SI, S2, S3) diese nacheinander beim jeweiligen Nulldurchgang der Spannung niederohmig werden.
15. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem durch die Steuerungseinheit initiierten hochohmig werden der elektronischen Schalter (SI, S2, S3) diese nacheinander beim jeweiligen Nulldurchgang der Spannung hochohmig werden.
16. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der Patentansprüche 14 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (SE) mit den Stromsensoreinheiten (Sil, SI2, SI3) , den Spannungssensoreinheiten (SUI, SU2, SU3) , den mechanischen Phasen-Kontakten (Kl, K2, K3) und den elektronischen Schaltern (SI, S2, S3) verbunden ist, dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreitung mindestens eines Stromschwellwertes in einem Leiter eine Vermeidung eines Stromflusses des betreffenden Leiters durch den betreffenden elektronischen Schalter initiiert wird, dass beim nächsten oder übernächsten Nulldurchgang der Spannung der elektronische Schalter wieder niederohmig wird, um einen Stromfluss zu ermöglichen.
17. Verfahren für ein Schutzschaltgerät (SG) zum Schutz eines elektrischen Mehrphasen-Nieder Spannungswechsel Stromkreises aufweisend :
- Serienschaltungen eines mechanischen Phasen-Kontaktes (Kl, K2, K3) und eines elektronischen Schalters (SI, S2, S3) , wobei jeweils eine Serienschaltung einen netzseitigen Phasen- Anschluss (LG1, LG2, LG3) mit einen lastseitigen Phasen- Anschluss (LL1, LL2, LL3) elektrisch verbindet,
- dass die mechanischen Phasen-Kontakte (Kl, K2, K3) zur Ver- meidung eines Stromflusses gemeinsam geöf fnet oder für einen Stromfluss gemeinsam geschlossen werden können,
- dass die elektronischen Schalter ( S I , S2 , S3 ) mittels halbleiterbasierter Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss geschaltet werden können, dass die elektronischen Schalter unabhängig voneinander in einen hochohmigen oder niederohmigen Zustand geschaltet werden können, um einen phasenleiterabhängigen Stromfluss zu vermeiden oder zu ermöglichen .
18 . Verfahren nach Patentanspruch 17 , dadurch gekennzeichnet , dass die Höhe des Stromes der j eweiligen Serienschaltung ermittelt wird und bei Überschreitung mindestens eines ersten Stromschwellwertes in einer Serienschaltung eine Vermeidung eines Stromflusses der betref fenden Serienschaltung, insbesondere für eine erste Zeitspanne , durch den betref fenden elektronischen Schalter initiiert wird .
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