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Die Erfindung bezieht sich auf einen
selektiven Leitungsschutzschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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Selektive Leitungsschutzschalter
werden in elektrischen Verteilungen zum Schutz der Vorsicherung
in die Zuleitung von der Vorsicherung zu den Abzweigschaltern, insbesondere
nachgeordnete Leitungsschutzschalter, geschaltet, um Überströme, die zum
Ansprechen der Vorsicherung führen
würden, nach
Möglichkeit
zu begrenzen oder rechtzeitig abzuschalten. Dazu öffnet der
selektive Leitungsschutzschalter – auch als Vorautomat bezeichnet – im Überstromfall
die Schaltkontakte der Hauptstrombahn und erzeugt eine Gegenspannung
(Bogenspannung), die bei einem Kurzschluss den Kurzschlussstrom
begrenzt und bei andauerndem Überstrom
den elektrischen Kreis unterbricht. Derartige Vorautomaten sollen
die Selektivitätsanforderung
erfüllen,
bei Überströmen oder
Kurzschlüssen,
die ein nachgeordneter Leitungsschutzschalter unterbricht, gegebenenfalls eine
strombegrenzende Schaltspannung aufzubauen, aber nicht in den Ausschaltzustand
zu gehen. Bei einem Kurzschluss zwischen dem Vorautomat und dem
nachgeordneten Leitungsschutzschalter jedoch soll der Vorautomat
den Kurzschlussstrom begrenzen und den elektrischen Kreis unterbrechen.
Dadurch wird die Vorsicherung geschützt und durch die Wiedereinschaltbarkeit
des Vorautomaten die Verfügbarkeit
der elektrischen Anlage erhöht.
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Um die gestellte Selektivitätsanforderung
erfüllen
zu können,
besitzen Vorautomaten zwei Strombahnen, von denen eine die Hauptstrombahn
mit Hauptkontakten und die andere eine Nebenstrombahn mit Nebenkontakten
ist, wobei die Nebenstrombahn Aktoren betreibt, die bei andauerndem
Kurzschluss das Schaltschloss des Vorautomaten entklinken und durch
bleibendes Öff nen
der Haupt- und Nebenkontakte den fehlerhaften Stromkreis trennen.
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In der eigenen
DE 31 33 221 A1 wird ein
Vorautomat beschrieben, welcher der Selektivitätsanforderung im besonderen
Maß genügt, da im
Kurzschlussfall ein aufeinanderfolgendes, mehrmaliges Ein-Ausschalten
der Hauptstrombahn (pumpendes Schalten) bis zu deren bleibender
Trennung vermieden wird. In der Auslegung von Haupt- und Nebenkontakten
ist es dabei vorteilhaft, den mechanischen Schaltvorgang des Nebenkontaktes
gegenüber
dem des Hauptkontaktes mit einem zeitlichen Vorlauf von wenigstens
1 bis 3 Halbwellen zu versehen. Dadurch kann der Nebenstromkreis
beim Einschalten auf einen Kurzschluss das Schaltschloss des Vorautomaten
entklinken, bevor der Hauptkontakt die Hauptstrombahn schließen kann.
Da die Funktion dieses Vorautomaten von der Netzspannung praktisch
unabhängig
ist, wird dieser als spannungsunabhängiger Hauptleitungsschutzschalter
(SHU) bezeichnet.
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Weiterhin ist ein Vorautomat auf
dem Markt, bei dem über
einen zusätzlichen
Nullleiteranschluss die Spannung zwischen dem Nullleiter und der Hauptstrombahn
abgegriffen und geprüft
wird, ob auf der Lastseite des Vorautomaten ein Kurzschluss vorhanden
ist. Im Falle eines Kurzschlusses unterschreitet die abgegriffene
Spannung einen vorgegebenen Wert, so dass ein als Aktor vorhandener
Magnetantrieb nicht anspricht und der mit dem Aktor gekoppelte Hauptkontakt
nicht eingeschaltet werden kann. Da die Schaltfunktion dieses Vorautomaten von
der Netzspannung abhängt,
wird er als spannungsabhängiger
Hauptleitungsschutzschalter (SHA) bezeichnet.
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In der
DE 100 13 110 A1 ist weiterhin
ein 'Selektiver Leitungsschutzschalter' offenbart, welcher eine
Hauptstrombahn mit Hauptkontakt und eine Nebenstrombahn mit Nebenkontakt
enthält,
wobei der mechanische Schaltvorgang des Nebenkontaktes einen zeitlichen
Vorlauf gegenüber
dem des Hauptkontaktes besitzt. Der Nebenstromkreis enthält einen Magnetauslöser, welcher
bei einem Kurzschluss auf der Lastseite des Vorautomaten beim Einschalten des
Nebenkontaktes anspricht und eine Einschaltsperre aktiviert, die
das Einschalten des Hauptkontaktes verhindert. Dadurch wird verhindert,
dass der Vorautomat auf einen Kurzschluss draufschaltet, und es
wird ein starker Kontaktverschleiß vermieden und die elektrische
Lebensdauer erhöht.
Da die Schaltfunktion dieses Vorautomaten von der Netzspannung unabhängig ist,
handelt es sich hierbei um einen spannungsunabhängigen Hauptleitungsschutzschalter.
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Die vorangehend beschriebenen Maßnahmen
zur Verhinderung des Draufschaltens auf einen Kurzschluss erfordern
ein Schaltschloss mit speziellen Eigenschaften zur Erzeugung eines
langen zeitlichen Vorlaufs, z.B. über mehrere Halbwellen, beim mechanischen
Einschalten des Nebenkontaktes gegenüber dem Hauptkontakt. Alternativ
erfordern sie zusätzliche
Aktoren zum Antrieb des Hauptkontaktes, wobei die Aktoren auch als
Einschaltsperre wirken können.
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Ausgehend von obigem Stand der Technik
ist es Aufgabe der Erfindung, einen spannungsunabhängigen und
selektiven Hauptleitungsschutzschalter zu schaffen, bei dem ohne
aufwendige, konstruktive Maßnahmen
das Draufschalten auf einen Kurzschluss vermieden wird, und der
eine erhöhte
Sicherheit gegen sogenanntes, pumpendes Schalten aufweist.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Mit der Erfindung ist im Wesentlichen
ein sog. Vorautomat geschaffen. Der erfindungsgemäße Vorautomat
enthält
zwar Merkmale der
DE
31 33 221 A1 , wobei als besondere Eigenschaft nunmehr der Magnetauslöser der
Hauptstrombahn neben der vom Hauptstrom durchflossenen Wicklung
eine zweite, vom Nebenstrom durchflossene Wicklung aufweist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung
von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es
zeigen jeweils als Schaltung
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1 einen
Vorautomat mit Kurzschluss-Einschaltschutz durch vorlaufende Öffnung vor
dem Schließen
des Hauptkontaktes mit erster Ausbildung des Nebenwicklungsanschlusses
und
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2 eine
Alternative zu 1 mit
zweiter Ausbildung des Nebenwicklungsanschlusses und mit einer Strommesseinrichtung.
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Gleiche Elemente haben in den Figuren
gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.
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In beiden Figuren stellt 1 einen
Hauptkontakt und 2 einen Nebenkontakt eines Leitungsschutzschalters
dar. Haupt- und Nebenkontakt 1, 2 können als
einfach- oder mehrfachunterbrechende Kontakte, insbesondere als
zweifach-unterbrechende Kontakte ausgebildet sein. Der Hauptkontakt 1 befindet
sich in einem Hauptstrompfad 10, der auch als Hauptstromzweig
bzw. -bahn bezeichnet wird, und der Nebenkontakt 2 in einem
Nebenstrompfad 20, der auch als Nebenstromzweig bzw. -bahn
bezeichnet wird, mit definiertem Nebenstromwiderstand R. In dem
Hauptstrompfad 10 ist eine Hauptstromwicklung 11 geschaltet,
die Teil eines Magnetauslösers 12 zur
Aktivierung des Hauptkontaktes 1 ist. Weiterhin ist in 1 ein verzögert arbeitender
Auslöser
als sog. verzögerter
Auslöser 15 vorhanden.
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Der Hauptstromwicklung 11 ist
eine Nebenstromwicklung 21 zugeordnet. Dabei kann die Nebenstromwicklung 21 entweder
gemäß 1 an den Anfang der Hauptstromwicklung 11 oder
entsprechend 2 an das
Ende der Hauptstromwicklung 11 angeschaltet sein. In beiden
Fällen
ist der Nebenstrompfad 20 zu mindest dem Hauptkontakt 1 des Hauptstrompfades 10 elektrisch
parallelgeschaltet.
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In 1 ist
im Nebenstrompfad 20 ein Nebenstromauslöser 22 vorhanden.
Weiterhin ist ein Schaltschloss 5 vorhanden, das den Nebenstromkontakt 2 ansteuert
und weiterhin von den Auslösern 22 und 15 angesteuert
wird. Mit dem Schaltschloss 5 kann der Hauptkontakt 1 geschlossen
oder dauerhaft geöffnet
werden, d.h. bis zur nächsten
Betätigung des
Schaltschlosses.
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1 zeigt
den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Vorautomaten in seiner
einfachsten Ausführungsform.
In der Hauptstrombahn 10 des Schalters sind der Magnetauslöser 12 (n-Auslöser), der
Hauptkontakt 1 und der Überstromauslöser 15 (verzögerter Auslöser) angeordnet.
Bei geschlossenem Hauptkontakt 1 überwacht der Überstromauslöser 15 den
Laststrom und entklinkt bei Überstrom
das Schaltschloss 5, wodurch Hauptkontakt 1 und
Nebenkontakt 2 geöffnet
und der Stromkreis getrennt wird. Im Kurzschlussfall öffnet der
Magnetauslöser 12 den
Hauptkontakt 1 und hält
diesen so lange offen, bis der Kurzschluss durch einen nachgeordneten
Leitungsschutzschalter oder durch den Vorautomaten selbst ausgeschaltet
ist. Die Ausschaltung des Vorautomaten wird dabei vom Nebenstromauslöser 22 (verzögerter Auslöser oder
2-Halbwellenauslöser)
in der Nebenstrombahn 20 durch Entklinkung des Schaltschlosses 5 herbeigeführt.
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Die Nebenstrombahn 20 ist über eine
zweite Stromwicklung 21 als Nebenstromwicklung an einem ersten
Anschlusspunkt der Hauptstrombahn 10 angeschlossen und
führt über einen
Nebenstromwiderstand mit Widerstandswert R, den Nebenstromauslöser 22 und
den Nebenkontakt 2 auf einen zweiten Anschlusspunkt 25 der
Hauptstrombahn 10.
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In 1 ist
der Anschlusspunkt am Magnetauslöser 12 so
gewählt,
dass zwischen beiden Anschlusspunkten wenigstens die Hauptstromwicklung 11 des
Magnetauslösers 12 und
der Haupt kontakt 1 angeordnet sind. Es ist eine Parallelschaltung
von Hauptstromwicklung 11 und Nebenstromwicklung 21 realisiert.
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In 2 ist
der Anschlusspunkt am Magnetauslöser 12 so
gewählt,
dass zwischen beiden Anschlusspunkten wenigstens der Hauptkontakt 1 angeordnet
ist. Es ist also eine Reihenschaltung von Hauptstromwicklung 11 und
Nebenstromwicklung 21 realisiert. Dabei ist die benötigte Windungszahl
der Nebenstromwicklung 21 kleiner als bei 1. Dadurch kann Material eingespart werden.
Die zusätzliche
magnetische Erregung des Magnetauslösers 12 durch die
Nebenstromwicklung 21 beim Auftreten einer Schaltspannung
am Hauptkontakt 1 ist dabei jedoch kleiner als bei der
Ausführung
nach 1.
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Mit den in den 1 und 2 dargestellten
Anschlusspunkten am Magnetauslöser 12 wird
beispielhaft gezeigt, dass zur beschriebenen Funktion nach 1 der Anschlusspunkt auf
der einen Hauptstrombahnseite des Magnetauslösers 12 liegt, und
zur Funktion nach 2 auf
der anderen Hauptstrombahnseite des Magnetauslösers 12 liegt.
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Der Nebenstromauslöser 22 betätigt im
Auslösefall
gemäß der in 1 dargestellten Wirkungslinie
die Entklinkung des Schaltschlosses 5, wodurch das Schaltschloss 5 entsprechend
den von ihm ausgehenden Wirkungslinien den Hauptkontakt 1 und den
Nebenkontakt 2 bleibend öffnet. Die Nebenstromwicklung 21 und
die Hauptstromwicklung 11 sind im gleichen Wicklungssinn
auf dem Magnetauslöser 12 angeordnet.
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Tritt der Kurzschlussfall bei geschlossenem Hauptkontakt 1 auf,
so öffnet
der Magnetauslöser 12 den
beweglichen Hauptkontakt 1 und es entsteht ein Lichtbogen,
der in die Löscheinrichtung
des Vorautomaten gelenkt wird. Die dabei auftretende Bogenspannung
treibt einen zusätzlichen
Strom i durch die Nebenstromwicklung 21 an und verstärkt damit
die Magnetkraft auf den beim Magnetauslöser 12 vorhandenen,
in den Figuren nicht dargestellten Magnetanker. Da im Augenblick
des Lichtbogenlöschens die
Bogenspannung meist hohe Werte nahe dem maximalen Bogenspannungswert
aufweist, ist der Magnetauslöser 12 über die
Nebenstromwicklung 21 stark aufmagnetisiert und ein Abfallen
des Magnetankers ausgeschlossen. Bei fortbestehendem Kurzschluss
auf der Lastseite des Vorautomaten und einem ausreichend hohen Nebenstrom
in der Nebenstromwicklung 21 wird der Hauptkontakt 1 weiter
offen gehalten, bis mit der Entklinkung des Schaltschlosses 5 die
endgültige Öffnung des
Hauptkontaktes 1 erfolgt. Mit der Entklinkung des Schaltschlosses 5 wird
ebenfalls der Nebenkontakt 2 geöffnet und damit der Nebenstrompfad 20 elektrisch
getrennt.
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Besteht bei ausgeschaltetem Vorautomaten auf
der Lastseite ein Kurzschluss, so wird beim Einschalten des zeitlich,
vorlaufenden Nebenkontaktes 2 der Magnetauslöser 12 über den
Nebenstrom der Nebenstromwicklung 21 und gegebenenfalls
der Hauptstromwicklung 11 erregt und der Magnetanker in
seine Arbeitsposition bewegt, d.h. der Anzugstellung des Ankers,
durch welche die Öffnungsposition des
beweglichen Hauptkontaktes 1 bestimmt ist. Das Schließen des
Hauptkontaktes 1 wird dadurch verhindert und es kann sich
kein voller Kurzschlussstrom ausbilden. Wird der Kurzschlussstromkreis nicht
oder nicht rechtzeitig durch einen nachgeordneten Leitungsschutzschalter
getrennt, so spricht der Nebenstromauslöser 22 durch den bestehenden
Nebenstrom an und schaltet über
das Schaltschloss 5 den Vorautomaten aus.
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Bei Kurzschlussschaltungen, in welchen
ein nachgeordneter Leitungsschutzschalter den Kurzschlusskreis trennt,
genügt
der verbleibende Laststrom nicht, um den Magnetauslöser 12 über die
Nebenstromwicklung 21 – bzw. über die
Haupt- und Nebenstromwicklungen 11, 21 – ausreichend
zu magnetisieren und der Magnetanker fällt ab, wobei der Hauptkontakt 1 schließt.
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Bei einer normalen Laststrom-Einschaltung durch
den Vorautomaten wird der Magnetauslöser 12 – wie bereits
beschrieben – beim
Einschalten des vorlaufenden Nebenkontaktes 2 nicht aus reichend magnetisiert
und der Anker befindet sich in seiner Ruheposition. Schließt nun der
Hauptkontakt 1, so bricht die elektrische Spannung am Nebenstromkreis 21 zusammen
und der Nebenstrom würde,
sofern die magnetische Flussänderung
= Null bliebe, sprungartig auf Null abnehmen. Da der Lastrom bei
geeigneter Bemessung des Nebenstromwiderstandes R beim Schließen des
Hauptkontaktes 1 nicht stark ansteigt (z.B. Effektivwert-Stromanstieg
von 10 bis 30%) und bei geeignetem Windungsverhältnis nNW/nHW der magnetische Fluss absinkt, klingt
jedoch der Nebenstrom in einer Übergangsphase
(Zeitkonstante = Kopplungsinduktivität/Nebenstromwiderstand) auf Null
ab.
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Zur praxisgerechten Realisierung
dient nachfolgender Bemessungsvorschlag für die Hauptstromwicklung einerseits
und die Nebenstromwicklung andererseits:
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Hauptstromwicklung: Die Auslegung
der Hauptstromwicklung 11 erfolgt z.B. für B-Charakteristik
(3 bis 5 * IN), wobei
beim Magnetauslöser 12 der Haltestrom ≥ 1,5 * IN sei. Der Haltestrom kann durch den Rest-Luftspalt
des Magnetsystems eingestellt werden.
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Nebenstromwicklung: Der elektrische
Widerstand R im Nebenstromkreis 20 ist so bemessen, dass
bei geschlossenem Nebenkontakt 1 und geöffnetem, stromlosen Hauptkontakt 2 bei
Nennlast etwa 80% des Nennstroms fließen (R = 0,2 * UN/IN). Besteht auf der Lastseite des Vorautomaten
ein satter Kurzschluss, so fließt über den
Nebenstromkreis 20 bei geschlossenem Nebenkontakt 2 und
geöffnetem, stromlosen
Hauptkontakt 1 ein Nebenstrom von UN/R =
5 * IN. Liegt auf der Lastseite nur ein
mäßiger Kurzschluss
vor, z.B. IK = 5 * IN,
so ist der Widerstand der Lastseite RLast =
UN/(5 * IN) und über den
Nebenstromkreis 20 fließt – bei geöffnetem, stromlosem Hauptkontakt 1 – ein Nebenstrom
von UN/(R + RLast)
= 2,5 * IN.
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Die Nebenstromwicklung 21 wird
nun so ausgelegt, dass der Magnetauslöser 12 bei einem Nebenstrom
von 2,5 * IN anspricht – die magnetische Erregung
entspräche
4 * IN der Hauptstromwicklung – und der
Magnetanker daher bei 1,5 * (2,5/4) * IN =
0, 9 * IN abfällt. Bei einem Windungsverhältnis nHW/nNW = 2,5/4 ist
das Ansprechverhalten der Hauptstromwicklung 11 und der
Nebenstromwicklung 21 gleich. Da die Nebenstromwicklung 21 nur
kurzzeitig stromdurchflossen ist, braucht ihr Leiterquerschnitt
nur für die
Schaltbelastung des Nebenstromkreises bemessen sein. Bei der beschriebenen
Auslegung muss der Nebenkontakt 2 ein Schaltvermögen von
5 * IN besitzen, was der Strombelastung
bei sattem Kurzschluss auf der Lastseite des Vorautomaten entspricht.
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Für
eine Realisierung entsprechend der 2 gilt
die im Vorhergehenden beschriebene Bemessung in gleicher Weise,
indem berücksichtigt wird,
dass der Nebenstrom in diesem Ausführungsbeispiel sowohl die Nebenstromwicklung 21 wie
auch die Hauptstromwicklung 11 durchfließt. Als
wirksame Wicklungszahl des Nebenstromes zur magnetischen Erregung
des Magnetauslösers 12 ist
dann anstelle nNW die Summe nNW +
nHW anzusetzen.
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Vorteil der beschriebenen Einrichtung
gegenüber
vorhandenen Problemlösungen
ist der minimale Zusatzaufwand durch eine zweite Auslöserwicklung.
Für die
bestehende Schaltmechanik sind keine weiteren Eingriffe zur Realisierung
des Kurzschluss-Einschaltschutzes erforderlich.
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Um den beschriebenen Vorautomaten
als kommunikationsfähiges
Schaltgerät
auszubilden, können
Betriebs- und Schaltzustände
mit/an geeigneten Komponenten im Hauptstromzweig 10 und/oder
im Nebenstromzweig 20 erfasst werden. So kann gemäß 2 anstelle des Überstromauslösers 15 des
Hauptstromzweiges 10 eine Strommesseinrichtung 17 vorgesehen
sein, die sowohl zur Überwachung
des Hauptstromzweiges 10 wie auch des Nebenstromzweiges 20 einsetzbar
ist. Mit der Strommesseinrichtung 17 kann ein Strom-Zeit-Wert
(∫i·dt) erfasst
und ausgewertet werden.
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Die in 2 dargestellte
Strommesseinrichtung 17 kann als elektronischer Auslöser ausgebildet sein
mit einer Messwertverarbeitung des Gesamtstromes aus Haupt- und
Nebenstromkreis 10 und 20, wobei der Anschluss 25 des
Nebenstromzweiges 20 wie in 1 vorgenommen
ist, oder – wie
als Alternative in 2 dargestellt – nur zur
Verarbeitung des Hauptstromes, wobei der Anschluss 25' des
Nebenstromzweiges 20 auf der äußeren Seite des Hauptstromzweiges 10 an
der Strommesseinrichtung 17 angeschaltet ist. Die Strommesseinrichtung 17 kann weitere
Messanschlüsse
besitzen zur Aufnahme des vom Nebenstrom i am Nebenstromwiderstand
R erzeugten Spannungssignals. Durch die einfache Beziehung i = UR/R kann dann der Strom i im Nebenstromzweig 20 bestimmt
werden.
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Mittels eines z.B. mikroprozessorbasierten Auswertemoduls
der Strommesseinrichtung werden Stromhöhe und Stromflussdauer sowohl
des Hauptstromes wie auch des Nebenstromes erfasst und es werden
beim Überschreiten
vorgegebener Grenzwerte Auslösesignale
an eine zugeordnete Auslöseeinrichtung
generiert, welche das Schaltschloss 5 des Vorautomaten
entklinkt und damit den Lastkreis vom Einspeisekreis trennt. Für ein derartiges
Strommonitoring kann die Stromüberwachungseinrichtung Signale
an Anzeigemodule, die dem Vorautomaten zugeordnet sind, übertragen
oder die Signalzustände über einen
Datenbus an eine zentrale Überwachungseinheit
melden. Signalzustände
können
u.a. die elektrischen Ströme
der Phasenleiter, das Schalten der Hauptkontakte, die Impedanz der
Lastkreise – vor
und nach einem Störfall –, fehlerhafte
Haupt- und/oder Nebenkontakte und die Betriebsüberwachungsbereitschaft sein.
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Mit einer derartigen Stromüberwachungseinrichtung,
deren elektrische Versorgung über
eine eigene Versorgungsleitung oder über die Netzleiter, z.B. L-N,
der elektrischen Verteilung erfolgen kann, kann auf die Anwendung
des Auslösers 15 im
Hauptstromkreis 10 oder des Auslösers 22 im Nebenstromkreis 20 verzichtet
werden.
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Die anhand der 1 und 2 einschließlich der
vorstehend beschriebenen Abwandlungen definieren einen sog. Vorautomaten
für eine
Schalteinrichtung.