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Die
Erfindung betrifft einen Leitungsschutzschalter.
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Sie
befasst sich insbesondere mit dem Problem der Selektivität: Ein Leitungsschutzschalter
soll unterschiedlich reagieren, je nachdem, ob er in einer Kaskadenschaltung
vorgeordnet oder nachgeordnet ist. 1 zeigt
ein Beispiel einer im Ganzen mit 10 bezeichneten Kaskadenschaltung
mit einem vorgeordneten Leitungsschutzschalter 12 und drei
nachgeordneten Leitungsschutzschaltern 14, wobei jedem nachgeordneten
Leitungsschutzschalter 14 ein Verbraucher 16 zugeordnet
ist. Tritt nun im Bereich der Verbraucher 16 ein Kurzschluss
auf, so wäre
es nicht sinnvoll, wenn der Leitungsschutzschalter 12 öffnen würde, denn
dann würden
alle drei Zweige gleichzeitig abgeschaltet. Vielmehr genügt es, wenn
derjenige Zweig abgeschaltet wird, in dem sich der Verbraucher 16 befindet,
durch den der Kurzschluss ausgelöst
wird. Somit soll also der nachgeordnete Leitungsschutzschalter 14 in
dem jeweiligen Zweig abschalten, während die übrigen Leitungsschutzschalter 14 in
den anderen Zweigen nicht abschalten sollen. Andererseits ist es
möglich,
dass es der nachgeordnete Leitungsschutzschalter 14 nicht
schafft, abzuschalten. In diesem Falle muss dann doch der vorgeordnete
Leitungsschutzschalter 12 abschalten. Herkömmliche
Leitungsschutzschalter sind so ausgelegt, dass sie möglichst
schnell abschalten. Für
den vorgeordneten Leitungsschutzschalter 12, der nicht
sofort abschalten darf, sondern zunächst dem nachgeordneten Leitungsschutzschalter 14 die
Gelegenheit geben muss, seinerseits abzuschalten, sind daher besondere
Anforderungen gegeben.
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Gleichzeitig
soll von dem herkömmlichen Bau
eines Leitungsschutzschalters möglichst
wenig abgewichen werden. Ein herkömmlicher Leitungsschutzschalter
weist einen Eingangs- und einen Ausgangsanschluss auf, ein ortsfestes
Kontaktelement und ein bewegliches Kontaktelement zum Herstellen einer elektrisch
leitenden Verbindung zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss
durch Berühren
des ortsfesten Kontaktelements durch das bewegliche Kontaktelement,
sowie Mittel zum Wegbewegen des beweglichen Kontaktelements von
dem ortsfesten Kontaktelement bei einem Kurzschlussstrom. Diese
Mittel umfassen üblicherweise
eine Magnetspule, welche einen Tauchanker mit einem Stößel bewegt,
der das bewegliche Kontaktelement von dem ortsfesten Kontaktelement
wegschlägt.
Zusätzlich
gibt es in dem Leitungsschutzschalter ein Schaltschloss, welches
die Aufgabe hat, unter vorbestimmten Bedingungen das von dem ortsfesten
Kontaktelement zunächst
nicht dauerhaft wegbewegte bewegliche Kontaktelement nunmehr dauerhaft
von dem ortsfesten Kontaktelement fernzuhalten oder insbesondere
aktiv von diesem zu trennen, d. h. noch weiter wegzubewegen. Insbesondere
ist es möglich, dass
die Mittel zum Wegbewegen nicht ausreichen, einen Stromfluss dauerhaft
zu unterbinden, sondern dass sich ein Lichtbogen zwischen dem beweglichen Kontaktelement
und dem ortsfesten Kontaktelement ausbildet, dieser dann verlöscht, sich
das bewegliche Kontaktelement zurückbewegt und dann erneut von den
Mitteln zum Wegbewegen wegbewegt wird. Das Schaltschloss hat dann
die Aufgabe, den beweglichen Kontakt dauerhaft von dem ortsfesten
fernzuhalten und hierbei den Lichtbogen vollständig zu unterdrücken.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Leitungsschutzschalter mit den
genannten Merkmalen eines herkömmlichen
Leitungsschutzschalters derart weiterzubilden, dass dieser insbesondere
als vorgeordneter Leitungsschutzschalter, möglicherweise aber zusätzlich auch
als nachgeordneter Leitungsschutzschalter in einer Kaskadenschaltung
einsetzbar ist.
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Die
Aufgabe wird durch einen Leitungsschutzschalter mit den Merkmalen
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst
der Leitungsschutzschalter somit:
- – Mittel
zum Messen des Werts des zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss
fließenden
Stroms,
- – Mittel
zum Vergleichen des gemessenen Stromwerts mit einem ersten vorbestimmten
Wert,
- – Mittel
zum Ermitteln des Integrals des Quadrats des gemessenen Stromwerts über die
Zeit, falls und solange der gemessene Stromwert den ersten vorbestimmten
Wert überschreitet,
- – Mittel
zum Vergleichen des ermittelten Integrals mit einem zweiten vorbestimmten
Wert.
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Durch
das Zusammenwirken der genannten Mittel werden die oben genannten
vorbestimmten Bedingungen erfüllt,
bei denen das Schaltschloss aktiv wird. Diese sind insbesondere
dann erfüllt,
wenn der zweite vorbestimmte Wert durch das ermittelte Integral überschritten
wird.
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Durch
die ersten beiden Mittel, d. h. die Mittel zum Messen des Stromwerts
und die Mittel zum Vergleichen des gemessenen Stromwerts, wird gewährleistet,
dass die Mittel zum Ermitteln des Integrals nicht ständig arbeiten
müssen.
Vielmehr ist es Aufgabe der Mittel zum Ermitteln des Integrals,
dann ein Maß für die von
dem fließenden
Strom abgegebene Wärme
zu ermitteln, wenn dieser fließende
Strom ein Kurzschlussstrom ist, d. h. einen Mindestwert überschreitet.
Grund dafür,
dass ein solches Maß gewählt ist,
ist, dass die Verluste des Kurschlussstroms Schäden in den Geräten bewirken
können.
Durch die Mittel zum Vergleichen des ermittelten Integrals mit einem
vorbestimmten Wert wird die Verlustenergie begrenzt. Letzterer vorbestimmter
Wert soll geeignet gewählt
sein, damit das Erfordernis der Selektivität erfüllt wird: Tritt ein Kurzschlussstrom
hinter einem nachgeordneten Leitungsschutzschalter auf, bewegt sich
sowohl in dem vorgeordneten als auch in dem nachgeordneten Leitungsschutzschalter
ein jeweils bewegliches Kontaktelement von dem ortsfesten Kontaktelement
weg, und es bilden sich Lichtbögen aus.
Betrachtet man die Anordnung in dem Zweig mit dem Kurzschluss, so
findet man genau zwei Lichtbögen
hintereinander. Dadurch wird der maximale Kurzschlussstrom effektiv
begrenzt, und das ermittelte Integral erreicht in dem vorgeordneten
Leitungsschutzschalter nicht den vorbestimmten Wert, wenn dieser
geeignet gewählt
ist. Vielmehr bewirkt der Kurzschlussstrom, dass ein jeweiliger
nachgeordneter Leitungsschutzschalter öffnet, so dass ein Öffnen des
vorgeordneten Leitungsschutzschalters überflüssig wird. Anders hingegen
sieht es aus, wenn ein Kurzschluss zwischen dem vorgeordneten Leitungsschutzschalter
und dem nachgeordneten Leitungsschutzschalter entsteht. Dann fließen relativ
hohe Kurzschlussströme,
und das ermittelte Integral erreicht relativ bald den vorbestimmten
Wert. Wie beabsichtigt, trennt dann das Schaltschloss dauerhaft das
bewegliche Kontaktelement von dem ortsfesten Kontaktelement, d.
h. der vorgeordnete Leitungsschutzschalter öffnet dauerhaft.
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Durch
eine einfache Erweiterung kann ein erfindungsgemäßer Leitungsschutzschalter
auch den Sonderfall berücksichtigen,
dass eine periodische, z. B. sinusförmige, Schwankung des Stroms
bewirkt, dass der gemessene Stromwert regelmäßig einen vorbestimmten Wert
zwar überschreitet,
aber genau so regelmäßig wieder
unterschreitet, so dass ständig mit
dem Ermitteln des Integrals wieder neu begonnen wird, ohne dass
dieses den (zweiten) vorbestimmten Wert überschreitet. In diesem Falle
kann es Vorgabe sein, dass der Leitungsschutzschalter innerhalb
eines vorbestimmten Zeitintervalls abschalten soll. Diese Vorgabe
wird dadurch erfüllt,
dass ein Zähler bereitgestellt
wird, der den Mitteln zum Vergleichen des gemessenen Stromwerts
mit einem vorbestimmten Wert nachgeordnet ist. Der Zähler zählt, wie
oft in dem vorbestimmten Zeitintervall die Mittel zum Vergleichen
des gemessenen Stromwerts mit einem vorbestimmten Wert ermitteln,
dass der vorbestimmte Wert durch den gemessenen Stromwert überschritten
wird. Die vorbestimmte Bedingung, d. h. dass das Schaltschloss aktiv
wird und das bewegliche Kontaktelement dauerhaft von dem ortsfesten
trennt, ist gegeben, wenn der Zähler
eine vorbestimmte Mindestanzahl (von Ereignissen) gezählt hat.
Auf diese Weise ist gewährleistet,
dass nicht eine einzige Stromspitze in einer Halbwelle, wie sie
bei Schaltvorgängen
auftreten mag, gleich ein Abschalten des Leitungsschutzschalters
bewirkt. Beträgt
die Mindestanzahl drei, ist nicht mehr als eine ein zige Wiederholung
der Stromspitze erlaubt, bevor der Leitungsschutzschalter dauerhaft
abschaltet.
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In
dem Leitungsschutzschalter war bisher ausschließlich von Kurzschlussauslösesystemen
die Rede. Herkömmliche
Leitungsschutzschalter weisen auch ein Überstromauslösesystem
auf. Üblicherweise
gehört
hierzu ein Bimetallelement, das bei einem dauerhaften Überstrom
(Überschreiten
eines vorbestimmten Stromwerts) das Schaltschloss auslöst, wobei
in diesem Fall das Schaltschloss das bewegliche Kontaktelement aktiv
von dem ortsfesten Kontaktelement wegbewegt, bis kein Lichtbogen
mehr auftritt, und es in der Folge diese Kontaktelemente dann auch
voneinander fernhält.
Da die Mittel zum Messen des Stromwerts üblicherweise so arbeiten, dass
eine an einem Widerstand abfallende Spannung gemessen wird, wird
bevorzugt das Bimetallelement als ein solcher Widerstand verwendet,
d. h. die Mittel zum Messen werden zu dem ohnehin vorhandenen Bimetallelement
parallel geschaltet.
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Ein
erfindungsgemäßer Leitungsschutzschalter
ist besonders geeignet, als vorgeordneter Leitungsschutzschalter
eingesetzt zu werden. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass dieser
auch als nachgeordneter Leitungsschutzschalter eingesetzt wird oder
in einer mehr als zweistufigen Kaskade auch auf mittleren Ebenen
eingesetzt wird. Zur Erfüllung
der Aufgabe der Selektivität
muss lediglich der vorbestimmte Wert angepasst werden, mit dem das ermittelte
Integral verglichen wird. So ist dieser bei dem erfindungsgemäßen Leitungsschutzschalter
bevorzugt einstellbar, wobei die Einstellung bei einem elektronischen
Komparator z. B. durch einfaches Einprogrammieren erfolgen kann.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei
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1 eine
Kaskadenschaltung von Leitungsschutzschaltern mit Verbrauchern zeigt,
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2 einen
erfindungsgemäßen Leitungsschutzschalter
in seinem schematischen Aufbau darstellt.
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Ein
in 1 gezeigter, im Ganzen mit 18 bezeichneter
erfindungsgemäßer Leitungsschutzschalter
weist einen Eingangsanschluss 20 und einen Ausgangsanschluss 22 auf.
Zwischen dem Eingangsanschluss 20 und dem Ausgangsanschluss 22 befinden sich
ein ortsfestes Kontaktelement 24 und ein bewegliches Kontaktelement 26.
Das bewegliche Kontaktelement 26 ist verschwenkbar und
berührt
bei geschlossenem Leitungsschutzschalter 18 das ortsfeste
Kontaktelement 24, so dass eine elektrisch leitende Verbindung
zwischen Eingangsanschluss 20 und Ausgangsanschluss 22 hergestellt
ist. Der Leitungsschutzschalter 18 hat eine Überstromauslösefunktion und
eine Kurzschlussauslösefunktion.
Zur Bereitstellung der Überstromauslösefunktion
verfügt
der Leitungsschutzschalter 18 im Strompfad zwischen Eingangsanschluss 20 und
Ausgangsanschluss 22, die über ein Bimetallelement 28,
das sich nach Zufuhr von Wärme
durch einen dauerhaften Überstrom
verbiegt und somit, wie durch den Wirkungspfeil 30 dargestellt,
ein Schaltschloss 32 des Leitungsschutzschalters 18 auslöst. Das
Schaltschloss 32 bewirkt in diesem Fall, dass das bewegliche
Kontaktelement 28 von dem ortsfesten Kontaktelement 24 wegbewegt und
dauerhaft von diesem getrennt wird, wobei auch Lichtbögen unterdrückt werden.
Diese Funktionalität ist
von quasi sämtlichen
Leitungsschutzschaltern des Standes der Technik bekannt.
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Das
Kurzschlussauslösesystem
umfasst eine elektrische Spule 34, in der ein (in 2 nicht gezeigter)
Tauchanker angeordnet ist, an dem ein Stößel ausgebildet ist. Wie durch
den Wirkungspfeil 36 dargestellt, bewirkt bei Überschreiten
eines vorbestimmten Werts durch den über die Spule 34 fließenden Strom,
namentlich bei einem Kurzschlussstrom, der Tauchanker mit dem Stößel, dass
das bewegliche Kontaktelement 26 von dem ortsfesten Kontaktelement 24 wegbewegt
wird. Vorliegend sei dies dergestalt, dass sich ein Lichtbogen zwischen
dem beweglichen Kontaktelement 26 und dem ortsfesten Kontaktelement 24 ausbildet,
wobei dieser in eine (in 2 nicht gezeigte) Löschkammer
wandern kann. Der Lichtbogen bewirkt, dass nach wie vor ein Strom über den
Leitungsschutzschalter 18 fließt, der aber in seiner Höhe begrenzt
ist. Durch Einwirkung des Schaltschlosses 32 entsprechend
dem Wirkungspfeil 38 kann das bewegliche Kontaktelement
dauerhaft von dem ortsfesten Kontaktelement getrennt werden, insbesondere
noch weiter weg von diesem bewegt werden, wodurch der Lichtbogen
gelöscht
wird, kein Strom mehr zwischen dem Eingangsanschluss 20 und
dem Ausgangsanschluss 22 fließt und somit der Leitungsschutzschalter
geöffnet
wird.
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Diese
vorbestimmten Bedingungen, unter denen das Schaltschloss 32 diese
Trennung entsprechend dem Wirkungspfeil 38 bewirkt, werden
durch eine Anordnung von elektronischen Elementen 40, 42, 44 und 46 bewirkt:
Parallel zu dem Bimetallelement 28 ist ein Strommesser 40 geschaltet.
Der Strommesser 40 misst tatsächlich die über dem Bimetallelement 28 abfallende
Spannung, und aufgrund des bekannten Widerstands des Bimetallelements 28 kann
auf den über
das Bimetallelement 28 fließenden Strom geschlossen werden.
Ein Komparator 42 vergleicht den von dem Strommesser 40 gemessenen
Stromwert mit einem vorbestimmten Wert. Erst bei Überschreiten
des vorbestimmten Werts werden die folgenden elektronischen Komponenten 44 und 46 eingesetzt:
Ist der gemessene Strom ein Kurzschlussstrom, beginnt ein Integrator 44,
das Integral des Quadrats des Stromwerts über die Zeit zu ermitteln.
Dieses ist bei bekanntem Widerstand ein Maß für die von dem Kurzschlussstrom
erzeugte Wärme.
Ein Komparator 46 vergleicht den Wert des Integrals mit
einem vorbestimmten Wert. Solange der vorbestimmte Wert von dem
Integral nicht unterschritten wird, ist die durch den Kurzschlussstrom
abgegebene Wärme
nicht übermäßig hoch
und kann akzeptiert werden. Erst, wenn das Integral den vorbestimmten
Wert in dem Komparator 46 überschreitet, bewirkt der Komparator 46,
wie durch den Wirkungspfeil 48 angezeigt, dass das Schaltschloss 32 das
bewegliche Kontaktelement 26 von dem ortsfesten Kontaktelement 24 dauerhaft
trennt, entsprechend des Wirkungspfeil 38.
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Die
Anordnung aus 2 erlaubt noch eine zweite Möglichkeit
der Auslösung
des Schaltschlosses 32: In diesem Falle ist zwar das Integral über den Kurzschlussstrom
nicht ausreichend hoch, solange der Kurzschlussstrom den vorbestimmten
Wert in dem Komparator 42 überschreitet, denn der vorbestimmte
Wert in dem Komparator 42 wird dann genau so schnell und
oft auch wieder unterschritten wie überschritten. Ein Zähler 50 zählt aber,
wie häufig
innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls (typischerweise 20
ms bis 100 ms) der Komparator 42 ermittelt, dass von dem
von dem Strommesser 40 gemessenen Stromwert ein vorbestimmter
Wert überschritten
wird. Überschreitet
die von dem Zähler
ermittelte Zahl eine vorgegebene Mindestanzahl, erreicht sie z.
B. die Zahl 3, bewirkt der Zähler
entsprechend dem Wirkungspfeil 52 eine Auslösung des Schaltschlosses 32,
welches dann ebenfalls bewirkt (Wirkungspfeil 38), dass
das bewegliche Kontaktelement 26 dauerhaft von dem ortsfesten
Kontaktelement 24 getrennt wird, so dass wiederum Lichtbögen ganz
unterdrückt
werden und der Leitungsschutzschalter 18 vollständig öffnet.
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Es
ist der in dem Komparator 46 gespeicherte vorbestimmte
Wert, der bestimmt, wann genau der Leitungsschutzschalter 18 üblicherweise
auslöst. Über diesen
Wert kann der Leitungsschutzschalter 18 für seine
jeweilige Aufgabe in einer Schaltkaskade geeignet programmiert werden.
Ist der Leitungsschutzschalter 18 vorgeordnet, dann sollte
der vorbestimmte Wert in dem Komparator 46 möglichst
hoch sein, und je weiter der Leitungsschutzschalter 18 in einer
Schaltkaskade nachgeordnet ist, desto kleiner kann der vorbestimmte
Wert werden.