DE102007006564A1

DE102007006564A1 - Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter

Info

Publication number: DE102007006564A1
Application number: DE200710006564
Authority: DE
Inventors: Christian Albrecht; Ludwig Birkl; Harald Heil; Paul Herma; Christian Dr. Hoffmann; Wolfgang Pilsl; Thomas Ritzer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-14

Abstract

Bei einem Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter (10, 10') wird ein Aktorelement (22), welches den Strompfad zwischen Eingangsanschluss (12) und Ausgangsanschluss (14) unterbricht, elektronisch angesteuert. Bei der elektronischen Ansteuerung wird nicht nur die zeitliche Ableitung der Stromstärke berücksichtigt, sondern die Phase der zwischen dem Strompfad und einem Referenzanschluss anliegenden Spannung berücksichtigt. Dadurch kann ein Kurzschluss bei seiner Entstehung bereits erkannt werden, und der Schalter kann äußerst schnell abschalten. Durch diese "Look-ahead"-Funktion wird die Selektivität deutlich verbessert: Die Einstellbarkeit ermöglicht die Anpassung des Schalters an den Einsatzort.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Der Schalter umfasst somit einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss. Diese sind über einen Strompfad miteinander verbunden. Der Strompfad ist an einer Kontaktstelle durch Einwirken eines Aktorelements unterbrechbar. In oder an dem Strompfad sind Mittel zum Messen einer eine Eigenschaft eines durch den Strompfad fließenden Stroms wiedergebenden physikalischen Größe angeordnet, und die Mittel zum Messen der physikalischen Größe sind mit elektronischen Auswertemitteln gekoppelt, die das Aktorelement ansteuern.
Ein Leitungsschutzschalter der genannten Art ergibt sich aufgrund eines Anwendungsgebietshinweises in der DE 41 11 831 A1 , die auf ein Verfahren zur Auslösung eines elektrischen Schalters sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bezogen ist.
Dem gattungsgemäßen Schalter ist das Merkmal zu eigen, dass das Aktorelement elektronisch angesteuert wird, anders als bei zahlreichen Leitungsschutzschaltern oder Leistungsschaltern des Standes der Technik, bei denen ein solches Aktorelement Teil einer elektromechanischen Wirkkette ist. Das elektronische Ansteuern ermöglicht eine Anpassung des Schalters an seine konkrete Verwendung: Insbesondere bei Kaskadenschaltungen gibt es vorgeordnete Schalter und nachgeordnete Schalter, wobei die nachgeordneten Schalter den elektrischen Verbrauchern näher sind. Es soll dann das Prinzip der so genannten Selektivität gelten, nämlich bei einem Kurzschluss der dem Kurzschluss am nächsten liegende Schalter den Strom unterbrechen. Bei Verwendung der elektronischen Auswertemittel wie bei dem gattungsgemäßen Schalter können beispielsweise Schwellwertkriterien unterschiedlich gewählt werden, je nach dem, an welcher Position der Schalter in der Kaskadenschaltung sitzt.
Mit dem Prinzip der Selektivität geht das Erfordernis einher, dass die Schalter die Fähigkeit haben sollen, möglichst schnell den Stromfluss zu unterbrechen. Diese Fähigkeit wird insbesondere dann benötigt, wenn die Schalter nachgeordnet sind, damit der vorgeordnete Schalter einen Kurzschlussstrom nicht zu lange durchleiten muss, damit aber dennoch genügend Zeit ist, dass der vorgeordnete Schalter ein mögliches Schalten des nachgeordneten Schalters abwartet bzw. noch selber abschalten kann, um die Schutzfunktion realisieren zu können.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, dass ein besonders schnelles Abschalten ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird durch einen Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst der Schalter somit Mittel zum Messen der Phase einer zwischen einem Punkt in dem Strompfad und einem Referenzpunkt (mit Referenzpotenzial) anliegenden Wechselspannung, und diese Mittel sind ebenfalls mit den elektronischen Auswertemitteln gekoppelt. Die elektronischen Auswertemittel sind dann dazu ausgelegt, ein Einwirken des Aktorelements auf die Kontaktstelle aufgrund von solchen Kriterien zu bewirken, bei denen die gemessene Phase berücksichtigt ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass während der Entstehungsphase eines Kurzschlussstroms der Stromanstieg bei bekannten Netzbedingungen und bekannter Phasenlage einen vorhersagbaren Verlauf aufweist, und dass daher die Phase einfach gemessen werden muss.
Die Entstehungsphase eines Kurzschlusses umfasst eine Zeitdauer, die typischerweise viel kleiner ist als eine Periodendauer der Netzfrequenz.
Bei bekannten Netzbedingungen hat ein Kurzschlussstrom in Abhängigkeit vom Phasenwinkel des Eintretens des Kurzschlusses einen festen Verlauf. Mit den eingestellten Werten und den gemessenen Spannungswerten und Stromwerten bestimmt die Elektronik z. B. die Stromanstiegsgeschwindigkeit dI/dt bei dem aus den Spannungswerten bestimmten Phasenwinkel und kann daraus sehr schnell ermitteln ob es sich um Kurzschluss handelt (Look-ahead-Funktionalität). Dies ist bereits deutlich früher vorhersagbar, bevor in konventionellen Schutzschaltgeräten das Magnetsystem aktiv wird. Nach den vorgegebenen Kriterien erfolgt dann gegebenenfalls die Auslösung. Ein nachgeschalteter Schalter wird deutlich früher auslösen müssen als ein vorgeschalteter. Außerdem erkennt ein vorgeschalteter Schalter aufgrund des ständig gemessenen Stromverlaufs, insbesondere der Stromanstiegsgeschwindigkeit, ob ein nachgeschalteter Schalter alleine abschalten kann.
Somit ist es eine bevorzugte Ausführungsform, dass die Mittel zum Messen einer physikalischen Größe die Stromstärke des durch den Strompfad fließenden Stroms messen, dass die elektronischen Auswertemittel die zeitliche Ableitung der Stromstärke errechnen, und dass zu zumindest einer vorbestimmten Phase das Verhalten der zeitlichen Ableitung der Stromstärke empirisch ermittelt wurde und das tatsächliche Verhalten mit diesem empirischen Verhalten verglichen wird.
Am einfachsten ist diese Ausführungsform dadurch zu verwirklichen, dass jeder Phase ein Grenzwert der zeitlichen Ableitung der Stromstärke zugeordnet wird, möglicherweise ein Grenzwert dieser zeitlichen Ableitung zum Zeitpunkt des Überschreitens eines weiteren Schwellwerts durch die Stromstärke selbst. Die Paare von Phasen und Grenzwerten definieren dann eine Kurve in einer zweidimensionalen Fläche, wobei die Kurve einen Bereich, in dem das Aktorelement nicht zum Einwirken auf die Kontaktstelle veranlasst wird, von einem Bereich abgrenzt, in dem das Aktorelement das Abschalten des Schalters bewirkt. Naturgemäß können auch weitere Größen aus der gemessenen Stromstärke abgeleitet werden. Es bietet sich zum Beispiel an, ein Maß für die von dem Strom geleistete Energie zu errechnen und bei diesem ebenfalls ein Schwellwertkriterium zu verwenden. Anstelle von einfachen Schwellwertkriterien können auch komplizierte Auswertungen der Graphen der gemessenen oder ermittelten Größen in Abhängigkeit von der Zeit stattfinden. Anstelle von den Phasen zugeordneten Grenzwerten kann auch eine mathematische Funktion stehen, die die entsprechenden Grenzen berechnet.
Die Erfindung hat wegen des schnellen Abschaltens den Vorteil, dass sich der Kurzschlussstrom gar nicht bis zur üblichen Stromstärke entwickeln kann. Da das Auslösen bei nachgeschalteten Schaltern sehr frühzeitig in der Entstehung des Kurzschlusses erfolgt, fließt noch nicht genügend elektrische Energie für den Aktor, denn der Stromwert ist noch klein.
Während sich besondere Vorteile insbesondere dadurch ergeben, dass das Abschaltverhalten bei einem Kurzschlussstrom geändert wird, können die elektronischen Auswertemittel und das Aktorelement auch für das Abschalten bei Überlast verwendet werden. So ist bevorzugt vorgesehen, dass bei der eben genannten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zusätzlich zur Ermittlung des Verhaltens bei Kurzschluss zu jeder vorbestimmten Phase das Verhalten der zeitlichen Ableitung der Stromstärke bei Überstrom empirisch ermittelt wird und das tatsächliche Verhalten mit diesem Verhalten verglichen wird. Auch hier können neben Schwellwertkriterien wieder Auswertungen der Graphen der physikalischen Größen über die Zeit erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wird bei Überlast das Zeitintegral über das Stromstärkenquadrat in der elektrischen Auswerteeinheit betrachtet. Eine Auslösung erfolgt dann, wenn die durch Nennstrom und Norm vorgegebene Zeit-Strom-Kennlinie überschritten wird.
Um den Aktor trotz des frühen Abschaltens mit ausreichend Energie zu versorgen, ist bevorzugt dem Aktorelement ein Energiespeicher zugeordnet, welcher insbesondere kurzfristig Energie für das Einwirken des Aktorelements auf die Kontaktstelle zuführen kann.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die elektronischen Auswertemittel programmierbar, damit der Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter an ein bestimmtes Netz, an das er angeschlossen wird, angepasst werden kann. Hierzu wird eine Schnittstelle bereitgestellt, über die den elektronischen Auswertemittel von außen Daten zuführbar sind. Es sollen insbesondere solche Parametrierdaten sein, die die genannten Kriterien festlegen, z. B. welche das typische Verhalten der zeitlichen Ableitung der Stromstärke als Kurve definieren.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der:
1 schematisch den Aufbau eines Leitungsschutzschalters oder Leistungsschalters in einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
2 schematisch den Aufbau eines Leitungsschutzschalters oder Leistungsschalters in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
1 zeigt einen im Ganzen mit 10 bezeichneten Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter, der einen Eingangsanschluss 12 und einen Ausgangsanschluss 14 umfasst. Zwischen diesen beiden Anschlüssen 12 und 14 kann Strom fließen. Der Strompfad ist an einer Kontaktstelle 16 unterbrechbar. Die Kontaktstelle 16 umfasst ein ortsfestes Kontaktelement 18 und ein bewegliches Kontaktelement 20. In der Geschlossenstellung berührt das bewegliche Kontaktelement 20 das ortsfeste Kontaktelement 18. Ein Auslöser 22 kann als Aktorelement das bewegliche Kontaktelement 20 von dem ortsfesten Kontaktelement 18 trennen. Das Auslösen soll bei einem Kurzschlussstrom oder einem Überstrom im Strompfad erfolgen. Zum Erfassen, ob ein Kurzschluss aufgetreten ist, dient folgende Anordnung: Im Strompfad sind Mittel 24 zum Messen der Stromstärke angeordnet. Mittel 26 zum Messen einer Spannung sind zwischen dem Strompfad (Phasenleiter L) und einem Referenzpotenzial (Nullleiter N) angeordnet. Die Mittel 24 und 26 geben die Messwerte in Form von elektronischen Signalen an eine elektronische Auswerteeinheit 28. Aus der gemessenen Stromstärke leitet die elektronische Auswerteeinheit 28 die zeitliche Ableitung der Stromstärke, das Zeitintegral über das Quadrat der Stromstärke und das Integral der Stromstärke über die Zeit, ab. Aus der gemessenen Spannung wird deren Phase Psi abgeleitet. Die elektronische Auswerteeinrichtung 28 verwendet bevorzugt sämtliche dieser Größen, um zu erkennen, ob die Situation vorliegt, dass der Schalter abschalten soll. Insbesondere anhand der zeitlichen Ableitung der Stromstärke und der Phase kann frühzeitig, nämlich noch während der Entstehungsphase des Kurzschlussstroms, das Auftreten eines Kurzschlusses erkannt werden. Das Zeitintegral über das Quadrat der Stromstärke ist ein Maß für die Energie, das zusätzliches Kriterium für die Entscheidung sein kann, ob ausgelöst werden muss. Auch das Zeitintegral über die Stromstärke kann hinzugezogen werden. Die elektronische Auswerteeinheit 28 ist direkt mit dem Auslöser 22 gekoppelt und bewirkt, dass dieser beim Auftreten eines Kurzschlusses frühzeitig die Kontaktstelle 16 unterbricht.
In an sich üblicher Weise dient ein Bimetallelement 30 zum Erkennen eines Überstroms. Das Bimetallelement 30 ist mit der elektronischen Auswerteeinheit 28 gekoppelt, welche in der Lage ist, ein Verbiegen des Bimetallelements 30 anhand entsprechender elektrischer Signale zu erkennen und auch bei einem Überstrom auf den Auslöser 22 einwirkt, damit dieser die Kontaktstelle 16 unterbricht. Das Bimetallelement 30 kann alternativ auch direkt auf den Auslöser 22 einwirken.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist ein Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter 10 in seinem Kurzschlussaus lösesystem gleich gebaut wie der Schalter 10 aus 1. Anders als der Schalter 10 aus 1 umfasst der Schalter 10' jedoch kein Bimetallelement 30. Vielmehr erfolgt die Erkennung eines Überstroms bei dem Schalter 10' ebenfalls auf elektronischem Wege. Hierzu sind Mittel 32 zum Messen der Stromstärke in dem Strompfad zwischen dem Eingangsanschluss 12 und dem Ausgangsanschluss 14 bereitgestellt, welche einen Messbereich aufweisen, der insbesondere das Erkennen eines Überstroms erlaubt. Die Mittel 32 sind mit der elektronischen Auswerteeinheit 28 gekoppelt, und diese kann anhand vorbestimmter Kriterien (typischen Kurvenverläufen, Überschreiten von Grenzwerten) erkennen, ob sie den Auslöser 22 entsprechend ansteuern muss, damit der Schalter 10' abgeschaltet wird.
Die Mittel 24 zum Messen der Stromstärke zum Erkennen eines Kurzschlusses und die Mittel 32 zum Messen der Stromstärke zum Erkennen eines Überstroms können auch in einem einzigen Strommessgerät oder Strommesssensor zusammengefasst sein, der dann allerdings gleichzeitig einen entsprechend großen Messbereich als auch die entsprechende Messgenauigkeit haben muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4111831 A1 [0003]

Claims

Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter (10, 10') mit einem Eingangsanschluss (12) und einem Ausgangsanschluss (14), die über einen Strompfad miteinander verbunden sind, wobei: – der Strompfad an einer Kontaktstelle (16) durch Einwirken eines Aktorelements (22) unterbrechbar ist, – in oder an dem Strompfad Mittel (24, 32) zum Messen einer eine Eigenschaft eines durch den Strompfad fließenden Stroms wiedergebenden physikalischen Größe angeordnet sind, – die Mittel (24, 32) zum Messen der physikalischen Größe mit elektronischen Auswertemitteln (28) gekoppelt sind, die das Aktorelement (22) ansteuern, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter (10, 10') Mittel (26) zum Messen der Phase einer zwischen einem Punkt in dem Strompfad und einem Referenzpunkt anliegenden Wechselspannung umfasst, die ebenfalls mit den elektronischen Auswertemitteln (28) gekoppelt sind, und dass die elektronischen Auswertemittel (28) dazu ausgelegt sind, ein Einwirken des Aktorelements (22) auf die Kontaktstelle (16) aufgrund von solchen Kriterien zu bewirken, bei denen die gemessene Phase berücksichtigt ist.
Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter (10, 10') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24, 32) zum Messen einer physikalischen Größe die Stromstärke des durch den Strompfad fließenden Stroms messen, und dass – die elektronischen Auswertemittel (28) die zeitliche Ableitung der Stromstärke errechnen, und dass zu zumindest einer vorbestimmten Phase das Verhalten der zeitlichen Ableitung der Stromstärke bei einem Kurzschluss empirisch ermittelt wurde und das tatsächliche Verhalten mit diesem empirischen Verhalten verglichen wird, und/oder – die elektronischen Auswertemittel (28) das Zeitintegral des Stromstärkenquadrats ermitteln und ein Schwellwertkriterium verwenden.
Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter (10, 10') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder vorbestimmten Phase auch das Verhalten der zeitlichen Ableitung der Stromstärke bei Überstrom empirisch ermittelt wird und das tatsächliche Verhalten mit diesem Verhalten verglichen wird.
Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter (10, 10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dem Aktorelement (22) zugeordneten Energiespeicher zum Zuführen von Energie für das Einwirken des Aktorelements (22) auf die Kontaktstelle (16).
Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter (10, 10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schnittstelle, über die den elektronischen Auswertemitteln (28) von außen Daten zuführbar sind.