DE102022201962B3

DE102022201962B3 - Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Schutzschalters, elektronischer Schutzschalter sowie elektrische Anlage mit einem elektronischen Schutzschalter

Info

Publication number: DE102022201962B3
Application number: DE102022201962.8A
Authority: DE
Inventors: Marvin Tannhäuser
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2042-02-26
Also published as: EP4445462A1; WO2023160968A1; CN118743124A; US20250192543A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Schutzschalters (100), der einen zu schützenden Laststromkreis (200) an einen Versorgungsstromkreis (300) koppelt. Der Schutzschalter (100) weist dabei mechanisches Schaltelement (110) und ein dazu in Reihe geschaltetes elektronisches Schaltelement (120) auf. In einem Verfahrensschritt wird der Laststromkreis (200) mittels des elektronischen Schaltelements (120) ausgeschaltet. Sodann werden zumindest zwei zeitlich beabstandete Strommesswerte (i1, i2) für einen durch den Schutzschalter fließenden Strom (i) ermittelt. Ferner werden zumindest zwei zeitlich beabstandete Spannungswerte (u10, u11, u12) einer an versorgungsseitigen Klemmen (101, 102) des Schutzschalters (100) anliegenden Spannung, ermittelt, davon mindestens einer nach dem Ausschalten. Der Stromkreis (200) wird durch das elektronische Schaltelement (120) wieder eingeschaltet, wobei eine Zeitdauer zwischen dem Ausschalten und dem Wiedereinschalten so gewählt, dass eine vom Laststromkreis versorgte Last (230) durch die Unterbrechung der Stromversorgung nicht beeinträchtigt wird. Schließlich wird eine Leitungsimpedanz (L1) einer Versorgungsleitung des Versorgungsstromkreises (300) aus den Spannungswerten (u10, u11, u12) und den Strommesswerten (i1, i2) sowie deren zeitlichen Abstand berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Schutzschalters, einen elektronischen Schutzschalter sowie elektrische Anlage mit einem elektronischen Schutzschalter.
Moderne Halbleiter-Leitungsschutzschalter (englisch: Semiconductor Circuit Breaker, kurz SCCB, mitunter auch Solid State Circuit Breaker, kurz SSCB; im Folgenden wird die Abkürzung SCCB verwendet) sind in der Lage, elektrische Stromkreise im Kurzschlussfall sehr viel schneller abzuschalten als herkömmliche Leitungsschutzschalter (englisch: Miniature Circuit Breaker, kurz MCB). Dabei weisen auch SCCB ein Nennschaltvermögen bzw. Kurzschlussschaltvermögen auf. Dabei handelt es sich um den Stromwert, bei dem ein MCB oder ein SCCB im Kurzschlussfall noch sicher abschalten kann. Dieser Stromwert liegt bei 230/400 V Haushaltsinstallationen beispielsweise zwischen 3 kA und 15 kA. Energieversorgungsunternehmen in Deutschland fordern ein Kurzschlussschaltvermögen von mindestens 6 kA.
Wie allgemein bekannt beträgt der Kurzschlussschaltstrom bzw. das Nennschaltvermögen ein Vielfaches des Nennstroms des MCB oder SCCB. Übliche Nennströme in Verbraucherstromkreisen bei 230/400 V Haushaltsinstallationen sind beispielsweise 10 A, 16 A oder 32 A.
Aus der EP 3 770 936 A1 ist ein Verfahren zum Schutz eines elektrischen Stromkreises vor Fehlern und Überlastungen bekannt, bei dem ein Laststrom, der im Lastkreis fließt ermittelt und mit dem maximal zulässigen Strom verglichen wird. Übersteigt der ermittelte Laststrom den maximal zulässigen Strom, wird die Last durch Ausschalten eines im Laststromkreis angeordneten Halbleiterschalters elektrisch isoliert. Anschließend wird ein (elektro-)mechanisches Schaltelement ausgeschaltet, um die Last physikalisch zu isolieren.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem der tatsächlich zu erwartende maximale Kurzschlussstrom ermittelt oder zumindest abgeschätzt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, durch einen elektronischen Schutzschalter mit einer Verarbeitungseinheit, die programmiert ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen gemäß Anspruch 11, sowie durch eine elektrische Anlage mit einem derartigen Schutzschalter gemäß Anspruch 12.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass ein erfindungsgemäßer Schutzschalter, insbesondere Halbleiter-Leitungsschutzschalter SCCB, Strom- und Spannungsmesswerte zum Berechnen oder jedenfalls Abschätzen einer Leitungsimpedanz der Versorgungsleitung des Versorgungsstromkreises ermittelt, indem der Schutzschalter die Versorgung des Laststromkreises gerade lange genug unterbricht, um eine genügende Anzahl von Messwerten zu erfassen, ohne dass diese Unterbrechung die Last beeinträchtigt. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass gemäß der einschlägigen Normen konstruierte Lasten kurzzeitige Unterbrechungen tolerieren, ohne dass es zu Fehlfunktionen der Last kommt. Bevorzugt dauert die Unterbrechung nicht länger als 20 ms, besonders bevorzugt nicht länger als 10 ms, kann aber auch auf 2 ms begrenzt werden.
Vorzugsweise wird die Berechnung der Leitungsimpedanz durch in modernen SCCB ohnehin vorhandene Verarbeitungseinheiten durchgeführt. Alternativ werden die Messwerte an ein übergeordnetes Gerät zur Auswertung übermittelt.
Dabei werden vorteilhaft in modernen Schutzschaltern, insbesondere in SCCB, ohnehin vorhandene Komponenten wie das im Vergleich zum mechanischen Schaltelement schnell schaltende elektronische Schaltelement, das/die Spannungsmessmittel und das/die Strommessmittel des SCCB verwendet, d.h. es müssen abgesehen von den Steuermitteln bzw. Verarbeitungseinheiten, die beispielsweise in Software oder Firmware realisiert werden können, vorzugsweise keine Anpassungen am SCCB vorgenommen werden.
Die ermittelte Leitungsimpedanz kann einem Bediener oder Installateur zur Anzeige gebracht werden, welcher sie dann mit einem Sollwert vergleichen und bei nicht tolerierbaren Abweichungen entsprechende Maßnahmen veranlassen kann. Die Anzeige kann dabei durch eine Anzeigeeinheit des SCCB selbst erfolgen und/oder durch eine Anzeige an einem mit dem SCCB drahtlos oder drahtgebunden gekoppelten Gerät. Dabei kann es sich beispielswese um ein fest installiertes Gerät der elektrischen Anlage handeln oder um ein portables Gerät, beispielsweise ein portables Diagnosegerät oder um ein Smartphone.
Aus dem ermittelten bzw. abgeschätzten Wert für die Leitungsimpedanz kann der Bediener oder Installateur den zu erwartenden maximalen Kurzschlussstrom ermitteln. Dieser Schritt kann in Ausführungsbeispielen Teil des erfindungsgemäßen automatisierten Verfahrens sein, indem der SCCB und/oder das übergeordnete Gerät aus der Leitungsimpedanz einen maximal zu erwartenden Stromanstieg bei Kurzschluss im Laststromkreis ermittelt, welcher anstelle und/oder zusätzlich zur Leitungsimpedanz dem Bediener oder Installateur angezeigt wird.
Übersteigt der maximal zu erwartende Stromanstieg bei Kurzschluss im Laststromkreis das Kurzschlussschaltvermögen des SCCB oder einen davon abgeleiteten Schwellwert, beispielsweise 80% des Kurzschlussschaltvermögens, kann dieser in einen Sicherheitsmodus versetzt werden, beispielsweise abschalten, und eine entsprechende Fehlerausgabe an den Bediener oder Installateur erfolgen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 ein Prinzipschaltbild eines Schutzschalters gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ersatzschaltbild für einen Stromkreis mit einem Schutzschalter gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3A ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der Versorgungsseite des Stromkreises gemäß 2;
3B eine weitere Vereinfachung zu 3A;
4 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
5 einen beispielhaften Verlauf von Strom und Spannung eines Schutzschalters bei Ausführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Schutzschalters 100, insbesondere eines Halbleiter-Leitungsschutzschalters SCCB, gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Der SCCB 100 weist netz- bzw. versorgungsseitige Klemmen 101 und 102 sowie lastseitige Klemmen 103 und 104 auf. Dabei erstreckt sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit der N-Leiter des beispielhaften Wechselstromsystems zwischen den Klemmen 102 und 104 und der L-Leiter zwischen den Klemmen 101 und 103.
Der SCCB 100 weist mindestens einen mechanischen Schaltkontakt auf. Im dargestellten Beispiel weist der SCCB 100 zwei mechanische Schaltkontakte 111, 112 auf, welche für beide Leiterpfade L und N die Eingangsklemmen 101, 102 von den Ausgangsklemmen 103, 104 galvanisch trennen können. Im dargestellten Beispiel sind die beiden Schaltkontakte 111, 112 gekoppelt und zu einem zweipoligen mechanischen Trennschalter 110 zusammengefasst.
Neben dem (elektro-)mechanischen Schaltelement 110 weist der SCCB 100 ein elektronisches Schaltelement bzw. ein Leistungshalbleiterelement 120 auf, welches vorzugsweise im L-Leiterpfad angeordnet ist und einen netzseitigen Pol 121, einen lastseitigen Pol 122 und einen Steuereingang 123 aufweist.
Über den Steuereingang 123 wird das elektronische Schaltelement 120 von einem Steuerelement 130 über eine Signalleitung 134 gesteuert, insbesondere in Abhängigkeit von einem vom Steuerelement 130 vorgegebenen Betriebszustand ein- und ausgeschaltet. Beim Steuerelement 130 kann es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller handeln. In Ausführungsbeispielen der Erfindung kann zudem vorgesehen sein, dass der Mikrocontroller 130 auch das mechanische Schaltelement 110 steuert (nicht dargestellt). In anderen Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass das mechanische Schaltelement 110 von einem separaten, elektronischen oder elektromechanischen, Steuerelement gesteuert wird (nicht dargestellt), das wiederum mit dem Steuerelement 130 gekoppelt sein kann.
Das Steuerelement 130 empfängt von Sensoren bzw. Messeinrichtungen des SCCB 100 Signale bzw. Messwerte, was in der Darstellung der 1 durch Pfeile 131, 132, 133 angedeutet wird. Auf die Darstellung der ggf. notwendigen Signalwandlungen wurde der besseren Übersicht wegen verzichtet, da entsprechende Mechanismen der zuständigen Fachperson wohlvertraut sind.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt der SCCB 100 über Mittel 140 zum Ermitteln der an den netzseitigen Klemmen 101, 102 anliegenden (Wechsel-)Spannung u1, von welchen aus ein die zeitabhängige Spannung u1 repräsentierender Wert über die Beziehung 131 an das Steuerelement 130 geliefert wird.
Ferner verfügt der SCCB 100 vorzugsweise über Mittel 150 zum Ermitteln der über dem elektronischen Schaltelement 120 abfallenden Spannung u2. Von diesen wird ein die zeitabhängige Spannung u2 repräsentierender Wert über die Beziehung 132 an das Steuerelement 130 geliefert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vom Steuerelement 130 durch einfache vorzeichentreue Addition bzw. Subtraktion aus den Werten für u1 und u2 eine zeitabhängige Spannung u3 an den Ausgangsklemmen 103, 104 ermittelt werden. In Form einer Gleichung ausgedrückt gilt für das dargestellte Ausführungsbeispiel: u3 = u1 - u2.
In anderen Ausführungsbeispielen kann die Spannung u3 durch entsprechende an den Ausgangsklemmen angeordnete Messmittel direkt ermittelt werden (nicht dargestellt), wobei dann fallweise auf die Mittel 140 oder 150 verzichtet werden kann.
Der beispielhafte SCCB 100 verfügt schließlich über Mittel 160 zum Ermitteln des durch den SCCB 100 fließenden Stroms i, die vorzugsweise in der vom Leistungshalbleiter 120 geschalteten Leiterbahn L angeordnet sind. Die Mittel 160 liefern einen den zeitabhängigen Strom i repräsentierenden Wert über die Beziehung 133 an das Steuerelement 130.
Die übrige Funktionsweise der Steuerung 130 wird weiter unten im Zusammenhang mit 4 und 5 näher erläutert.
2 zeigt eine stark vereinfachte Ersatzschaltung mit einem Verbraucher- bzw. Laststromkreis 200, der mittels eines SCCB 100 an einen Versorgungsstromkreis 300 angeschlossen ist. Auch die Darstellung des SCCB 100 wurde stark vereinfacht und auf die Darstellung der netzseitigen Klemmen 101, 102, der lastseitigen Klemmen 103, 104 und der Schaltmittel 120, 111 im L-Pfad reduziert. Die bereits erwähnten Spannungen u1, u2 und u3 sowie der Strom i sind zur besseren Übersicht ebenfalls dargestellt. Zudem ist die Netzspannung u0 dargestellt.
Der Verbraucherstromkreis 200 weist ausgehend von der lastseitigen L-Klemme 103 des SCCB 100 folgende Elemente auf: eine erste ohmsche Leitungskomponente 211 mit dem Wert R3/2, eine erste induktive Leitungskomponente 221 mit dem Wert L2/2, eine Last 230 mit dem Wert R2, eine zweite induktive Leitungskomponente 222 mit dem Wert L2/2 und eine zweite ohmsche Leitungskomponente 212 mit dem Wert R3/2.
Der Versorgungsstromkreis 300 weist eine netzseitige Spannungsquelle 330 auf, welche die in 2 gezeigte Anordnung über eine Versorgungsleitung speist. Die Versorgungsleitung weist im L-Pfad eine erste ohmsche Leitungskomponente 311 mit dem Wert R1/2 und eine erste induktive Leitungskomponente 321 mit dem Wert L1/2 auf. Der N-Pfad weist eine zweite induktive Leitungskomponente 322 mit dem Wert L1/2 und eine zweite ohmsche Leitungskomponente 312 mit dem Wert R1/2 auf.
Mit Blick auf eine weitere Vereinfachung (vgl. 3) wurde dabei bereits vereinfachend angenommen, dass die ohmschen Komponenten 311, 312 und die induktiven Komponenten 321, 322 für die Hin- und die Rückleitung im Versorgungsstromkreis 300 jeweils annähernd gleich sind und daher jeweils annähernd der Hälfte des gesamten Leitungswiderstands R1 sowie der gesamten Leitungsinduktivität L1 zwischen den netzseitigen Klemmen 101, 102 des SCCB 100 und der netzseitigen Spannungsquelle 330 entsprechen.
In 3A ist ein weiter vereinfachtes Ersatzschaltbild des Versorgungstromkreises 300 zwischen den netzseitigen Klemmen 101, 102 des SCCB 100 und der Quelle 330 gezeigt. Die in 2 gezeigten ohmschen und induktiven Leitungskomponenten 311, 312, 321, 322 wurden zu einer ohmschen Leitungskomponente 310 mit Wert R1 und einer induktiven Leitungskomponente 320 mit Wert L1 zusammengefasst. Somit bilden für die Zwecke der weiteren Betrachtung die ohmsche Leitungskomponente R1, die induktive Leitungskomponente L1 und die Quelle 330 den vereinfachten Versorgungsstromkreis 300, durch den der Strom i fließt. Die Quelle 330 liefert die zeitabhängige Spannung u0. während an den netzseitigen Klemmen 101, 102 des SCCB 100 die zeitabhängige Spannung u1 anliegt. Über den Komponenten R1 und L1 fallen die zeitabhängigen Spannungen u4 und u5 ab. In Form einer Gleichung ausgedrückt ergibt sich: $u 0 = u 4 + u 5 + u 1.$
Für die weitere Betrachtung wurde das vereinfachte Ersatzschaltbild aus 3A nochmals weiter vereinfach, 3B. Die Spannungen u0 und u1 wurden dabei zu ux zusammengefasst, wobei gilt: ux = u0 - u1 sowie ux = u4 + u5 .
Anhand von 4 wird im Folgenden eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Das Verfahren startet in Schritt 410, beispielsweise ansprechend auf eine von einem Bediener generierte Anforderung hin, wenn die folgende Voraussetzungen vorliegt: das elektronische Schaltelement 120 des SCCB 100 ist eingeschaltet und das mechanische Schaltelement 110 ist geschlossen, d.h. der Verbraucherstromkreis 200 ist eingeschaltet und es liegt keine Störung (z.B. Kurzschluss oder Überlast) im Verbraucherstromkreis 200 vor.
In Schritt 420 wird gewartet, bis der zeitabhängige Strom i einen Mindestwert erreicht, denn das Verfahren funktioniert umso besser, je höher der Strom zum Zeitpunkt des beabsichtigten Ausschaltens (vgl. Schritt 430) ist. Beispielsweise kann der Strom i über mehrere Zyklen der Eingangswechselspannung gemessen werden, um den aktuellen maximal fließenden Strom zu ermitteln, und es wird zu Schritt 430 übergangen, wenn mindestens 80% des maximalen Stroms fließen. Fließt aktuell kein Strom, beispielsweise weil am Verbraucherstromkreis keine aktive Last vorhanden ist, und/oder liegt der Scheitelwert des Stroms unter einer definierbaren Schwelle, beispielsweise unter 1A, wird das Verfahren beendet, Schritt 425, und eine entsprechende (Fehler)Meldung an den Bediener ausgegeben. Der Bediener kann beispielsweise aufgefordert werden, eine Mindestlast an den Verbraucherstromkreis anzuschließen, und anschließend das Verfahren neu zu starten.
In Ausführungsbeispielen, insbesondere wenn ein (Schätz)Wert für die Leitungsimpedanz nicht zeitnah benötigt wird, sondern ein geeignet hoher Strom abgewartet werden kann, verharrt das Verfahren in Schritt 420, bis ein derartiges Stromereignis auftritt, beispielsweise ein Einschaltvorgang (Inrush) einer kapazitiven Last. Zusätzlich oder alternativ kann ein Bediener in Schritt 420 aufgefordert werden, eine derartige Last anzuschließen bzw. (kurzzeitig) zu aktivieren.
Falls in Schritt 420 ein hinreichend hoher Stromwert erreicht wurde, wird in Schritt 430 das elektronische Schaltelement 120 des SCCB ausgeschaltet. Mit Blick auf 5 ist dies der Zeitpunkt t0.
In Schritt 440 (zum Zeitpunkt t1 in 5) wird ein Stromwert i1 des im Versorgungsstromkreis 300 fließenden Stroms i ermittelt und bevorzugt zeitgleich oder zumindest annähernd zeitgleich wird ein Spannungswert u11 der eingangsseitig am SCCB 100 anliegenden Spannung u1 ermittelt. Diese Werte u11 und i1 werden in einem Speicher (nicht dargestellt) abgelegt. Für den im Beispiel der 1 dargestellten SCCB 100 werden die jeweiligen Momentanwerte für u1 und i zum Zeitpunkt t1 mittels der weiter oben im Zusammenhang mit 1 erläuterten Messvorrichtungen ermittelt.
In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die Erfassung von u1 und i auch zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgen. Dies bietet sich beispielsweise an, wenn der SCCB 100 über ein (einziges) Spannungsmessmittel verfügt, das zunächst an die Leitungen L und N geschaltet wird, um einen Momentanwert für u1 zu bestimmen, und anschließend an die Klemmen eines in den Pfad L integrierten Messwiderstands oder Shunt (nicht dargestellt), um den Spannungsabfall über diesem Messwiderstand zu ermitteln, woraus dann beispielsweise die Steuerung 130 einen Momentanwert für den Strom i berechnet.
In Schritt 450 wird geprüft, ob die Zeitdauer seit Ausschalten des elektronischen Schaltelements 120 des SCCB in Schritt 430 noch unter einer konfigurierbaren maximalen Zeitdauer tmax liegt. Diese konfigurierbare Zeitdauer wird so gewählt, dass sie kleiner oder gleich einer von normgerecht konstruierten Lasten zu tolerierenden Zeit für kurzzeitige Versorgungsunterbrechungen liegt, also beispielsweise tmax = 20 ms, vorzugsweise tmax = 10 ms, in besonderen Ausgestaltungen auch tmax = 2 ms. Falls die vorgenannte Bedingung verletzt ist, d.h. die Zeitdauer seit Ausschalten ist größer als tmax, wird das Verfahren mit Schritt 470 fortgesetzt. Falls die vorgenannte Bedingung eingehalten ist, d.h. die Zeitdauer seit Ausschalten ist kleiner oder gleich tmax, wird das Verfahren mit Schritt 460 fortgesetzt.
Alternativ zur Prüfung in Schritt 450, ob die Zeitdauer seit Ausschalten des elektronischen Schaltelements 120 des SCCB in Schritt 430 noch unter der konfigurierbaren maximalen Zeitdauer tmax liegt, kann auch
In Schritt 460 wird geprüft, ob eine vorgebbare Anzahl von Werten für u1 und i ermittelt wurden. Die Mindestanzahl von Werten liegt dabei in bevorzugten Ausführungsbeispielen bei jeweils 2 Werten für i und einem Wert für u1. In weiteren Ausführungsbeispielen können beispielsweise 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 Werte insbesondere für i, aber auch für u1 genutzt werden. Generell gilt: je höher die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Steuereinheit ist, um so mehr Werte können erfasst werden, was im Berechnungsschritt 470 anschließend eine Plausibilitätskontrolle der Werte und/oder Filterungen wie Glättungen und/oder Interpolationen zu bestimmten Zeitpunkten und/oder das Ausblenden von Einschwingvorgängen ermöglicht.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung kann anstelle der Prüfung in Schritt 450, ob die Zeitdauer seit Ausschalten des elektronischen Schaltelements 120 des SCCB in Schritt 430 noch unter der konfigurierbaren maximalen Zeitdauer tmax liegt, die vorgebbare Anzahl von Werten für i sowie das Messintervall so gewählt werden, dass das Produkt aus Anzahl und Messintervall kleiner ist als tmax. Beispielsweise können im Fall von tmax = 10 ms bis zu 9 Messwerte bei einem Messintervall von 1 ms erfasst werden, ohne dass unter Berücksichtigung einer Sicherheitsreserve eine Überschreitung von tmax befürchtet werden muss.
Ist die vorgebbare Anzahl von Werten noch nicht erreicht, wird zu Schritt 440 zurückgesprungen und eine neue Ermittlung von Momentanwerten für i und optional für u1 durchgeführt. In 5 ist dies beispielhaft angedeutet: zum Zeitpunkt t2 wird wie weiter oben für i1 beschrieben ein Wert i2 ermittelt. Optional wird auch für u1 ein weiterer Wert u12 ermittelt.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung wird vereinfachend angenommen, dass sich u1 unmittelbar nach dem Ausschalten verändert und dann konstant bleibt, während der Strom i abnimmt. Legt man diese vereinfachende Annahme zugrunde, kann es genügen, nur einen Wert für u1 zu ermitteln, solange der Strom i noch nicht auf Null gefallen ist. Es möglich, aber nicht notwendig, diesen Wert zeitgleich mit einer der Strommessungen zu ermitteln.
Ist die vorgebbare Anzahl von Wertepaaren erreicht und/oder die maximale Zeit tmax für das Ausschalten des elektronischen Schaltelements 120 erreicht, wird die Wiederholung beendet und mit Schritt 470 fortgefahren.
In Schritt 470 wird das elektronische Schaltelement 120 des SCCB 100 eingeschaltet, falls dies nicht durch parallel ablaufende Prozesse aus Sicherheitsgründen verhindert wird, etwa weil zwischenzeitlich ein Kurzschluss im Verbraucherstromkreis 200 detektiert wurde. Mit Blick auf 5 erfolgt das Einschalten des elektronischen Schaltelements 120 zum Zeitpunkt t4.
Für die weiter unten beschriebenen Berechnungen wird noch ein Messwert für u1 benötigt, der einen Rückschluss auf die Netzspannung u0 (siehe 3A) zulässt. Betrachten man einen kurzen oder sehr kurzen Zeitabschnitt (Mikrosekunden bis max. einige Millisekunden) unmittelbar vor dem Ausschalten in Schritt 430, kann ein quasistationärer Zustand angenommen, d.h. u0 und i werden als konstant angesehen, u5 ist nahe Null (wegen i konstant). R1 wird als klein angenommen und u4 daher als vernachlässigbar angesehen, so dass direkt vor dem Ausschalten in Schritt 430 u1 ≈ u0 gilt. Damit kann also ein Spannungsmesswert u10, der näherungsweise der Netzspannung u0 entspricht, kurz vor dem Ausschalten in Schritt 430 ermittelt werden, beispielsweise als Teilschritt des Schrittes 430, bevor ausgeschaltet wird.
Alternativ kann u10 ermittelt werden, wenn nach dem Ausschalten der stationäre Zustand erreicht wird, der durch i = 0 charakterisiert wird, siehe 5 beispielsweise zum Zeitpunkt t3. Hier ist ein besserer Näherungswert für u0 ermittelbar, da wegen i = 0 auch u4 = 0. Allerdings ist es möglich, dass innerhalb von tmax der Strom i nicht auf Null fällt, so dass es keinen Zeitpunkt t3 gibt, zu welchem i = 0 gilt.
In Ausführungsbeispielen kann daher wie folgt vorgegangen werden: in Schritt 430 wird vor dem Ausschalten zunächst ein Wert für u1 gemessen, der dann als Näherungswert u10 für u0 gespeichert wird. Anschließend wird das Verfahren mit den Schritten 430, 440, 450, 460 durchgeführt und in einem der Schritte wird geprüft, ob der Strom i auf Null gefallen ist, ohne dass tmax erreicht wurde. Sobald i = 0 erreicht wurde, oder kurz danach, wird eine neue Messung von u1 durchgeführt und als neuer Wert für u10 anstelle des zuvor ermittelten Näherungswertes dem weiteren Verfahren zugrunde gelegt. Anders ausgedrückt wird vor dem Abschalten ein Näherungswert für u10 ermittelt, der dann verwendet wird, falls der Strom nicht auf Null fällt, und der durch einen besseren Messwert ersetzt wird, falls der Strom innerhalb von tmax auf Null fällt.
Anschließend wird in Schritt 470 die Leitungsimpedanz L1 der Versorgungs- bzw. Netzleitung zwischen dem Schutzschalter 100 und der (gedachten) Netzspannungsquelle 330 Spannungswerten u10, u11 oder u12 (oder dem Mittelwert aus u11 und u12 und weiteren Spannungswerten) und den Strommesswerten i1, i2 sowie deren zeitlichen Abstand Δt = t2 - t1 zumindest näherungsweise berechnet. In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden dazu zunächst Δi = i2 - i1 und ux = u11 - u10 berechnet. Anschließend wird, gestützt auf das vereinfachende Ersatzschaltbild gemäß 3B mittels der Beziehung di / dt = Δi / Δt ein Näherungswert für di / dt ermittelt und schließlich mittels der Beziehung L1 = ux / (di / dt) der gesuchte Näherungswert für L ermittelt. Dabei wird wiederum die über R1 abfallende Spannung als vernachlässigbar betrachtet.
Mittels der durch mehrfache, hier zweifache, Ausführung des Schritts 440 ermittelten Werte i1, i2 sowie der Werte u10 und u11 ausgedrückt ergibt sich für das bevorzugte Ausführungsbeispiel folgende Gleichung: $L 1 = (u11 - u10) / ((i 2 - i 1) / (t 2 - t 1))$
Mittels L1 und dem Scheitelwert u0,max der Netzspannung kann dann der maximal zu erwartende Stromanstieg im lastseitigen Kurzschlussfall ermittelt werden: $di / dt = u 0, max / L1$
Aus diesem Stromanstieg di/dt kann nun der maximale Strom ermittelt werden, der erreicht wird, bevor der SCCB sicher abschaltet. Hierfür ist es lediglich notwendig, die für den jeweiligen SCCB-Typ vorbekannte Konstante dt,SCCB mit dem Stromanstieg di/dt zu multiplizieren. In Form einer Gleichung ausgedrückt: $imax = di / dt * dt,SCCB$
Mit dem für L1 ermittelten Wert ausgedrückt ergibt sich: $imax = u 0, max / L1 * dt,SCCB$
Die Konstante dt,SCCB setzt sich zusammen aus der Zeit, die der SCCB benötigt, einen Kurzschluss zu erkennen (und z.B. von einem Einschaltvorgang zu unterscheiden), und der Zeit, die benötigt wird, anschließend den Halbleiterschalter 120 auszuschalten, und liegt typischerweise bei 0,2 bis 2 Mikrosekunden.
Diese Berechnung kann ebenfalls durch den SCCB und/oder das übergeordnete Gerät durchgeführt werden und qualitativ (beispielsweise als farbliche Anzeige rot/grün nach Vergleich mit einem durch eine Norm oder anderweitig bestimmten Grenzwert wie beispielsweise dem eingangs genannten Kurzschlussschaltvermögen von 6kA) und/oder quantitativ einem Bediener zur Anzeige gebracht werden.
Nach Berechnung und Ausgabe bzw. Bereitstellung der Parameter L1 und/oder di/dt und/oder imax endet das Verfahren mit Schritt 480. Natürlich ist es möglich, das Verfahren auf eine entsprechende Bedienereingabe hin erneut zu starten. In Ausführungsbeispielen ist es möglich, das Verfahren automatisch mehrfach hintereinander ablaufen zu lassen und vor Ausgabe der Parameter eine Mittelwertbildung vorzunehmen, um zu einer besseren Abschätzung zu gelangen.
Optional kann das beschriebene Verfahren ergänzt oder abgewandelt werden, um Kapazitäten C im Versorgungsnetz (vgl. 2) zu detektieren. Mit Blick auf 5 wird die Abnahme des Stroms i nach dem Ausschalten zum Zeitpunkt t0 bei Vorhandensein einer Kapazität C deutlich flacher verlaufen, d.h. der sich bei zwei Messwerten für i ergebende Term: $((i 2 - i 1) / (t2 - t1))$
wird betragsmäßig deutlich größer sein als durch die (meist sehr geringen) Leitungsinduktivitäten L1 bedingt. Im Berechnungsschritt 470 kann optional geprüft werden, ob dieser Term einen Schwellwert übersteigt, beispielsweise einen für Versorgungsleitungen, die eine maximale Länge und einen maximalen Induktivitätsbelag aufweisen, maximal zu erwartenden Wert, kann in Schritt 470 die Entscheidung getroffen werden, dass eine Berechnung von L1 nicht möglich ist. Dies wird dem Bediener signalisiert oder zur Signalisierung an den Bediener bereitgestellt, gegebenenfalls gemeinsam mit einem Hinweis, dass sich im Versorgungskreis 300 Kapazitäten befinden. Der Bediener kann daraufhin untersuchen, ob diese Kapazitäten erwünscht oder unerwünscht sind.
Wie bereits erläutert ist es in Abwandlungen des vorstehend beschriebenen Verfahrens natürlich möglich, die Zuverlässigkeit der Abschätzung durch weitere Wertepaare zu verbessern. Die Abschätzung beruht u.a. auf der Annahme, dass in den sehr kurzen betrachteten Zeitabständen die Abnahme des Stroms i nach Ausschalten bei t0 linear verläuft und die Spannung u0 sich in dieser Zeit nicht oder jedenfalls nicht maßgeblich ändert (dass also das Wechselstromsystem 100, 200, 300 quasistationär ist, d.h. unter Inkaufnahme geringer Fehler als Gleichspannungssystem betrachtet werden kann). Die Auswertung von weiteren Messwerten für i und/oder u1 erlaubt es dann, Messwerte von der Betrachtung auszuschließen, bei denen sich die vorstehend genannten Voraussetzungen durch Vergleich mit den anderen Wertepaaren bzw. Interpolation als nicht zutreffend herausstellen, beispielsweise im Fall von Einschwingvorgängen oder in die Leitung eingekoppelten Störungen.
Wie bereits erwähnt ist es möglich, das vorstehend beschriebene Verfahren vollständig durch eine Steuerung 130, beispielsweise einen Mikrocontroller, eines modernen SCCB 100 ausführen zu lassen und die Ergebnisse über drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle an ein Anzeigegerät des Bedieners zu übermitteln. Bei dem Anzeigegerät kann es sich beispielsweise um ein mittels Bluetooth oder einer anderen Nahfunktechnik mit dem SCCB 100 koppelbares mobiles Gerät wie beispielsweise ein Smartphone handeln. Dabei kann die auf diesem mobilen Gerät ablaufende Software so ausgestaltet sein, dass der Bediener das Verfahren durch eine Benutzereingabe, die dann an den SCCB 100 übermittelt wird, überhaupt erst in Gang setzt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der SCCB 100 lediglich die Messwerte übermittelt und das mobile Gerät die Berechnungen vornimmt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Schutzschalters (100), der einen zu schützenden Laststromkreis (200) an einen Versorgungsstromkreis (300) koppelt und ein mechanisches Schaltelement (110) und ein dazu in Reihe geschaltetes elektronisches Schaltelement (120) aufweist, mit folgenden Schritten: a) Ausschalten des Laststromkreises (200) mittels des elektronischen Schaltelements (120); b) Erfassen zumindest zweier, zeitlich beabstandeter Strommesswerte (i1, i2) für einen durch den Schutzschalter fließenden Strom (i) nach dem Ausschalten; c) Erfassen zumindest zweier, zeitlich beabstandeter Spannungswerte (u10, u11, u12) einer an versorgungsseitigen Klemmen (101, 102) des Schutzschalters (100) anliegenden Spannung, davon mindestens einer nach dem Ausschalten; d) Wiedereinschalten des Laststromkreises (200) durch das elektronische Schaltelement (120), wobei eine Zeitdauer zwischen dem Ausschalten und dem Wiedereinschalten so gewählt wird, dass eine vom Laststromkreis versorgte Last (230) durch die Unterbrechung der Stromversorgung nicht beeinträchtigt wird; e) Berechnen einer Leitungsimpedanz (L1) einer Versorgungsleitung des Versorgungsstromkreises (300) und/oder Berechnen eines Wertes für einen maximal zu erwartenden Stromanstieg bei Kurzschluss im Laststromkreis aus den Spannungswerten (u10, u11, u12) und den Strommesswerten (i1, i2) sowie deren zeitlichen Abstand.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem f) der Schutzschalter in einen Sicherheitsmodus versetzt wird, wenn die Leitungsimpedanz (L1) einen Schwellwert unterschreitet und/oder der maximal zu erwartende Stromanstieg bei Kurzschluss im Laststromkreis ein Kurzschlussschaltvermögen des Schutzschalters oder einen aus dem Kurzschlussschaltvermögen abgeleiteten Schwellwert übersteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem g) aus den Spannungswerten (u10, u11, u12) und den Strommesswerten (i1, i2) ermittelt wird, ob der Versorgungsstromkreis eine kapazitive Komponente (C) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schritte b) und c) zeitgleich oder nahezu zeitgleich ausgeführt und jeweils Paare von Strommess- und Spannungswerten erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem einige oder alle der Berechnungsschritte e), f) und/oder g) durch den elektronischen Schutzschalter (100) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem einige oder alle der Berechnungsschritte e, f) und/oder g) durch ein übergeordnetes Gerät durchgeführt werden, wobei die für die jeweilige Berechnung erforderlichen Strommess- und/oder Spannungswerte drahtlos oder drahtgebunden vom Schutzschalter (100) an das übergeordnete Gerät übermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ausschalten erfolgt, wenn der Momentanwert (i) des durch den Schutzschalter fließenden Stroms einen Schwellwert überschreitet, vorzugsweise einem Scheitelwert des Stroms entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem einer der ermittelten Spannungswerte ein Momentanwert (u10) der an den versorgungsseitigen Klemmen (101, 102) des Schutzschalters (100) anliegenden Spannung (u1) zum Zeitpunkt des Ausschaltens ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ausschalten während eines Einschaltvorgangs einer Last mit hohem Einschaltstrom erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Wiedereinschalten nicht später als 20 ms, vorzugsweise nicht später als 10 ms, insbesondere nicht später als 2 ms nach dem Ausschalten erfolgt.
Elektronischer Schutzschalter (100) aufweisend Spannungsmessmittel (140, 150), Strommessmittel (160) sowie eine Verarbeitungseinheit (130), die programmiert ist, das Verfahren gemäß eines der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Elektrische Anlage mit einem oder mehreren Schutzschaltern (100) gemäß Anspruch 11 sowie einem drahtlos oder drahtgebunden mit dem oder den Schutzschaltern (100) verbindbaren Gerät zur Ermittlung und/oder Anzeige des maximal zu erwartenden Stromanstiegs bei einem Kurzschluss im Laststromkreis (200) .
Elektrische Anlage gemäß Anspruch 12, deren Schutzschalter (100) so ausgestaltet ist/sind, dass das Verfahren zur Ermittlung und/oder Anzeige des maximal zu erwartenden Stromanstiegs bei dem Kurzschluss im Laststromkreis (200) durch das Gerät initiierbar ist.