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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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Aus der
DE 693 06 144 T2 ist ein gattungsgemäßer Überstrom-Detektorkreis beschrieben, bei welchem für eine Zeitmessung sowie zum Addieren von Werten, die von einer Rechnerschaltung berechnet werden, Zähler genutzt werden.
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Aus der
US 2005/0103613 A1 ist ein Leitungsschutzschalter beschrieben, der ein Bimetallelement zum Detektieren eines Kurzschlussstromes aufweist.
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Aus der
DE 2 117 238 ist eine Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Motoren und daran angeschlossener mechanischer Geräte bekannt. Die Schaltungsanordnung weist einen Strom-Ist-Wert-Überwacher auf, welcher als einstellbarer Schwellwertindikator ausgeführt ist.
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Aus der
DE 33 47 185 A1 ist eine Anordnung zur Beeinflussung eines Schaltgeräts beschrieben, welche Stromsensoren und eine nachgeschaltete Zählvorrichtung zum Berechnen unterschiedlicher Integrale aufweist.
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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, und
- – einen Zähler (50), der zählt, wie oft in einem vorbestimmten Zeitintervall die Mittel (42) zum Vergleichen des gemessenen Stromwerts mit einem vorbestimmten Wert ermitteln, dass der vorbestimmte Wert durch den gemessenen Stromwert überschritten wird, wobei die vorbestimmten Bedingungen erfüllt sind, wenn der Zähler eine vorbestimmte Mindestanzahl gezählt hat.
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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 erfült, 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 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 berücksichtigt der erfindungsgemäße Leitungsschutzschalter auch den Sonderfall, 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 einzige 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 Lichtbogen 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 Falls 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.