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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen
Schutzschalters und auf einen nach diesem Verfahren betriebenen elektrischen
Schutzschalter.
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Bei
Leistungs- oder Schutzschaltern, die in Niederspannungsanlagen eingesetzt
werden, werden Überstrom
oder Kurzschluss in der elektrischen Anlage durch Auslöser erkannt,
die ein Schaltschloss entriegeln und deren Auslöseverhalten mit einer als Strom-Zeit-Kurve
bezeichneten Auslösekennlinie charakterisiert
werden kann. Der typische Verlauf einer solchen Strom-Zeit-Kurve
oder Auslösekennlinie a
ist in 3 wiedergegeben,
in der jeweils in logarithmischer Skala die Auslöseverzögerung ts gegen den
Effektivwert des Stromes I, der durch den Schutzschalter fließen würde, wenn
dieser nicht auslösen
würde,
aufgetragen ist. In einem ersten Bereich A, der in der Regel zwischen
dem Nennstrom In und dem Zehnfachen des Nennstroms In angesiedelt
ist, erfolgt die Auslösung
mit langen Verzögerungszeiten beispielsweise
durch Erwärmung
eines stromdurchflossenen Bimetallstreifens. An diesen Bereich A,
in dem je nach Höhe
des Überstromes
Verzögerungszeiten
im Bereich von 1s bis nahezu 1h vorliegen können, schließt sich
ein Bereich B an, in dem ein Magnetauslöser in sehr kurzer Zeit, etwa
10ms, anspricht und das Schaltschloss entriegelt. Bei sehr hohen
Kurzschlussströmen,
etwa ab dem 30fachen des Nennstroms In (Bereich
C), öffnen
die Schaltkontakte durch die zwischen ihnen wirkende magnetische Kraft
selbsttätig
noch bevor die durch den Magnetauslöser erfolgte Entriegelung des
Schaltschlosses die Kontaktöffnung
einleitet. Die damit einhergehende Strombegrenzung würde nun
zu einem sofortigen erneuten Zufallen der Schaltkontakte führen. Um dies
zu verhindern wird mit einer niedrigen Kurzschluss-Stromschwelle
für die
Auslösung
des Schaltschlosses gesorgt, das dann die Schaltkontakte offen hält.
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Anstelle
eines Bimetall- und eines Magnetauslösers werden auch elektronische
Auslöser
eingesetzt, bei denen mit Hilfe einer elektronischen Steuereinrichtung
ein elektromechanischer Auslöser angetrieben
wird, der das Schaltschloss entriegelt. Bei diesen elektronischen
Auslösern
wird das Stromsignal über
einen Stromwandler erfasst, digitalisiert und einem Prozessor zugeführt, der
beispielsweise anhand einer Look-up-Tabelle, in der eine Strom-Zeit-Kurve,
wie sie in 3 wiedergegeben ist,
abgelegt ist, entscheidet, wann ausgelöst werden soll. Darüber hinaus
können
noch andere Kriterien implementiert sein, bei denen beispielsweise
das zeitliche Integral ∫idt
des momentan über
den Schaltkontakt fließenden
Stromes i oder das zeitliche Integral ∫i2dt
des Quadrates des momentan fließenden Stromes
i ausgewertet wird. Für
eine Auslösung
im Kurzschlussfall wird in der Regel ein Grenzwert für den Momentanwert
des Stromes i gesetzt, dessen Überschreiten
entweder ebenfalls digital durch den Prozessor oder durch eine Analogschaltung
mit Schwellwertschalter überwacht
wird.
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In
einem verzweigten elektrischen Netz sind in vielen Fällen Schutzschalter
elektrisch in Reihe geschaltet. Dabei wird gefordert, dass im Falle
eines Überstromes
oder eines Kurzschlusses nur derjenige nachgeordnete Schutzschalter
auslösen
darf, der dem Kurzschluss am nächsten
liegt, nicht jedoch der übergeordnete,
vor einer Verzweigungsstelle angeordnete Schutzschalter. Auf diese
Weise soll ein unnötiges
Abschalten anderer, parallel zu diesem Zweig geschalteter Verbraucher
durch den übergeordneten
Schutzschalter verhindert werden. Diese als Selektivität bezeichnete
Eigenschaft muss für
alle Überströme und Kurzschlussströme gewährleistet sein.
Diese Selektivität
wird in der Regel durch eine entsprechende Abstimmung der Auslösekennlinien der
in Reihe geschalteten Schutzschalter herbeigeführt. Dies ist in der 3 anhand der gestrichelt
eingezeichneten Auslösekennlinie
b veranschaulicht. Im Falle eines Überstromes oder eines Kurzschlussstromes
schaltet der Schutzschalter mit der Kennlinie a vor dem Schutzschalter
mit der Kennlinie b. Wird der Schutzschalter mit der Kennlinie b
einspeiseseitig, d.h. vor dem Schutzschalter mit der Kennlinie a
im Netz angeordnet, so ist sichergestellt, dass im Falle eines nach
dem Schutzschalter mit der Kennlinie a stattfindenden Kurzschlusses
oder in diesem Zweig vorliegenden Überstromes nur dieser Schutzschalter abschaltet.
Ein erhebliches Problem ist es jedoch, diese Selektivität auch bei
sehr hohen Kurzschlussströmen
zu verwirklichen. Bei hohen Kurzschlussströmen treten in beiden Schutzschaltern
hohe Momentanwerte des Stromes auf. Würde man allein die Stromhöhe als Auslösekriterium
heranziehen, müssten
beide Schalter auslösen.
Selektivität
wäre dann nicht
mehr gewährleistet.
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Da
bei derartigen hohen Kurzschlussströmen die Kontakte infolge der
Stromkräfte
dynamisch öffnen
und ein Lichtbogen entsteht, kann dieser zur Verbesserung der Selektivität herangezogen
werden. So ist es beispielsweise aus der
EP 0 455 564 B1 bekannt,
den in der Schaltkammer eines Leistungsschalters mit Isolierstoffgehäuse (MCCB,
molded case circuit braker) bei Auftreten eines Lichtbogens entstehenden Überdruck
mechanisch zur Auslösung des
Schaltschlosses zu verwenden. Hierzu wird der in der Schaltkammer
herrschende Druck in einen Zylinder übertragen, in dem verschiebbar
ein Kolben gelagert ist. Dieser Kolben wird durch einen Überdruck
im Zylinder gegen die Wirkung einer Rückholfeder verschoben und mit
einer am Kolben angeordneten Stange kann dann das Schaltschloss
entklinkt werden. Die Selektivität
zwischen zwei Schutzschaltern kann damit auf einfache Weise durch
entsprechende Bemessung der Rückholfeder
erreicht werden. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass sie zusätzliche
mechanische Teile benötigt
und daher konstruktiv relativ aufwendig ist.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben
eines elektrischen Schutzschalters anzugeben, mit dem es möglich ist, eine
Selektivität
auch im Bereich sehr hoher Kurzschlussströme auch mit einem elektronischen
Auslöser
zu erreichen. Außerdem
liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen nach diesem Verfahren betriebenen
Schutzschalter anzugeben.
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Bezüglich des
Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen
Merkmalen werden bei dem Verfahren sowohl ein über den Schaltkontakt fließender Strom
als auch eine über
dem Schaltkontakt abfallende Spannung gemessen. Durch die Messung
der über
dem Schaltkontakt abfallenden Spannung steht nun neben dem Strom
eine zusätzliche
Messgröße zur Verfügung, die
eine differenziertere Analyse der am Schaltkontakt im Falle eines Überstromes
oder Kurzschlusses vorliegenden Verhältnisse ermöglicht.
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Da
aus dem Kurzschlussfall fließenden Strom
und dem über
dem Schaltkontakt anstehenden Spannungsabfall die von einem Lichtbogen
verrichtete Bogenarbeit ermittelt wird und mit einem von der Steuereinrichtung
gesteuerten elektromechanischen Aktuator ein Öffnen des Schaltkontaktes ausgelöst wird,
wenn diese einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, ist es möglich, eine
Selektivität zwischen
einem Schutzschalter und eine ihm nachgeordneten Schutzschalter
zu erzielen. Löst
nämlich ein
nachgeordneter Schutzschalter im Fall eines Kurzschlusses oder Überstromes
aus, so begrenzt dieser zwangsläufig
den im vorgeordneten Schalter über
den Lichtbogen fließenden
Strom, so dass die Bogenarbeit nicht oder nur geringfügig weiter
ansteigt und der den Aktuator auslösende Grenzwert nicht mehr überschritten
wird. Mit anderen Worten: Durch die unterschiedliche Einstellung
der Grenzwerte für
die Bogenarbeit für
die einzelnen in einem verzweigten Netz angeordneten Schutzschalter
ist es möglich,
deren Selektivität
im Kurzschlussfall dadurch herbeizuführen, dass dieser Grenzwert
für einen übergeordneten
Schutzschalter höher
eingestellt wird als für
einen diesem nachgeordneten.
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Wenn
der über
den Schaltkontakt fließende Strom
und der über
dem Schaltkontakt anstehende Spannungsabfall auch im Normalbetrieb
gemessen und ausgewertet werden, und in Abhängigkeit mit dem von der Steuereinrichtung
gesteuerten elektromechanischen Aktuator ein Öffnen des Schaltkontaktes ausgelöst oder
dieser in einer Offenstellung blockiert wird, kann nicht nur das
Auslöseverhalten
des Schutzschalters im Falle eines Überstromes oder Kurzschlusses
verbessert und genauer eingestellt werden, vielmehr ist es auch
möglich,
den Zustand des Schaltkontaktes im Normalbetrieb zu überwachen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sind in den
Unteransprüchen
wiedergegeben.
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Bezüglich des
Schutzschalters wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den
Merkmalen des Patentanspruches 9, deren Vorteile den zu Patentanspruch
1 angegebenen Vorteilen entsprechen. Vorteilhafte Ausgestaltungen
des Schutzschalters sind in den dem Patentanspruch 9 untergeordneten Ansprüchen 10
und 11 wiedergegeben.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel
der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
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1 einen
elektrischen Schutzschalter mit einer elektronischen Steuereinrichtung
in einer schematischen Prinzipdarstellung,
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2 ein
schematisches Flussdiagramm, in dem das Betriebsverfahren des Schalters
gemäß 1 veranschaulicht
ist,
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3 ein
Diagramm, in dem die Auslösekennlinien
herkömmlicher
Schutzschalter dargestellt ist.
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Gemäß 1 enthält ein elektrischer Schutzschalter
für jede
Phase L1, L2, L3 eines dreiphasigen Netzes einen Schaltkontakt 21-3 , die mittelbar von einem Schaltschloss 4 geöffnet oder
geschlossen werden. Dieses Schaltschloss 4 kann von einem
elektromechanischen Aktuator 5 entklinkt werden, der von
einer Steuereinrichtung 6 gesteuert wird, so dass die Schaltkontakte 21-3 geöffnet werden. Mit anderen Worten:
Der elektromechanische Aktuator 5 löst das Öffnen der Schaltkontakte 21-3 aus und öffnet mittelbar die Schaltkontakte 21-3 .
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Jeder
Phase L1, L2 und L3 ist ein Stromwandler 81-3 zugeordnet,
mit dem der über
den Kontakt 21-3 jeweils fließende momentane
Strom i1-3 erfasst wird. Die entsprechenden
Messsignale werden an die Steuereinrichtung 6 weitergeleitet
und dort nach Analog-Digital-Wandlung in einem Mikroprozessor ausgewertet
und verarbeitet. Jedem Schaltkontakt 21-3 ist
außerdem
ein Spannungswandler 101-3 zugeordnet,
mit dem die am jeweiligen Kontakt 21-3 momentan
abfallende Spannung u1-3 erfasst wird. Die
entsprechenden Messsignale werden ebenfalls an die Steuereinrichtung 6 weitergeleitet
und dort nach Analog-Digital-Wandlung in dem Mikroprozessor gemeinsam
mit den digital vorliegende Stromdaten ausgewertet und verarbeitet.
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Abhängig vom
Ergebnis der in der Steuereinrichtung 6 durchgeführten Auswertung
des Stromes i1-3 und der Spannung u1-3 werden die Schaltkontakte 21-3 von dem von der Steuereinrichtung 6 über den elektromechanischen
Aktuator 5 ausgelösten
Schaltschloss 4 geöffnet
oder in einer Offenstellung blockiert.
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Die
bei Schutzschaltern im ausgeschalteten Zustand geforderte Eigenschaft
vollständiger
galvanischer Trennung kann durch die Einrichtung der Spannungsmessung
behindert sein. In diesem Falle kann jeweils ein Anschluss der Spannungsmessung über Hilfskontakte 121-3 geführt werden, die ebenfalls vom
Schaltschloss 4 betätigt
werden.
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Mit
Hilfe einer in der Steuereinrichtung 6 implementierten
Software werden die Schaltkontakte 21-3 sowohl
im Normalbetrieb als auch im Kurzschlussfall überwacht. Diese Überwachung
ist im Flussdiagramm der 2 veranschaulicht.
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1. Normalbetrieb
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Im
Normalbetrieb fließen
Ströme
ii dauerhaft im Bereich bis zum Nennstrom
In oder kurzzeitig bis zu dem 10fachen des Nennstroms In. Eine solche kurzeitige Überlast
tritt beispielsweise bei einem Motoranlauf auf. In der Steuereinrichtung 6 wird
nun in jeder Phase der momentane Spannungsabfall ui im Normalbetrieb überwacht. Übersteigt
dieser Spannungsabfall ui in einer dieser
Phasen Li einen unteren Kontaktspannungsgrenzwert
Uk,gu, beispielsweise 1V, deutet sich das
Ende der Lebensdauer des betreffenden Schaltkontaktes an. Die Steuereinrichtung generiert
dann ein Statussignal S1, das beispielsweise
eine optische Anzeige aktiviert.
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Der
Schutzschalter kann dann nur noch für eine begrenzte Zeit T betrieben
werden. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit wird dann von der Steuereinrichtung
der Steuerbefehl Ka zum Auslösen der Schaltkontakte
erteilt, um einer thermischen Überlastung
vorzubeugen.
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Übersteigt
der Spannungsabfall ui im Überstrombereich,
d.h. im Strombereich zwischen Nennstrom In und
kurzzeitiger Überlast,
einen oberen Kontaktspannungsgrenzwert Uk,go,
beispielsweise 10V, muss davon ausgegangen werden, dass der betreffende
Schaltkontakt durch vorangegangene Schaltvorgänge verschlissen ist. In diesem
Fall erfolgt eine sofortige Abschaltung durch die Steuereinrichtung (Steuerbefehl
Ka).
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Ein
Auslösen
aufgrund dieser Kriterien erfolgt nur, wenn der über die Schaltkontakte jeweils fließende momentane
Strom ii betriebsmäßige Werte nicht überschreitet,
d.h. kleiner ist als ein Grenzstrom is,
der unterhalb des Strombereiches (Bereich C, 3) liegt,
in dem eine Kontaktöffnung
aufgrund elektrodynamischer Kräfte
vorkommen kann, und beispielsweise etwa das 20-fache des Nennstroms
In betragen kann und in 3 zwischen
den Bereichen B und C eingetragen ist.
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Durch
diese Maßnahmen
kann ein bei hohen Überströmen durch
abgenutzte Schaltkontakte verursachtes Kontaktschweben mit kurzzeitiger
Lichtbogenbildung verhindert werden, und es kann einer damit verbundenen
thermischen Überlastung
des Schutzschalters bereits in einem Frühstadium vorgebeugt werden.
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2. Kurzschlussfall
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Bei
hohen Strömen
ii, wie sie bei Kurzschlüssen auftreten, ist die Höhe des gemessenen
Spannungsabfalls ui ein Indikator dafür, ob der
betreffende Schaltkontakt dynamisch geöffnet hat und ob sich der bei
der Kontaktöffnung
entstehende Lichtbogen in die Löschkammer
hinein bewegt hat. Durch Multiplikation des in diesem Fall auftretenden
Spannungsabfalls ui mit dem von den Stromwandlern
erfassten Strom ii wird in der Steuereinrichtung 6 für jeden
Schaltkontakt 2i die Bogenleistung Pi =
uiii und durch Integration
der Bogenleistung die Bogenarbeit berechnet. Die Bogenarbeit Ai = ∫uiiidt wird mit einem
Grenzwert Ag verglichen, der abhängig vom
jeweils fließenden Kurzschlussstrom
ii ist. Wird dieser Grenzwert Ag durch
die strombegrenzende Wirkung eines nachgeordneten zweiten Schutzschalters
unterschritten, unterbleibt eine Auslösung des elektromechanischen Aktuators,
so dass die Schaltkontakte selbsttätig erneut schließen. Mit
diesem Grenzwert Ag kann die Selektivität zwischen
vor- und nachgeordneten Schutzschaltern auch im Bereich hoher Überströme auf einfache
Weise eingestellt werden.
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Wird
der Grenzwert Ag in einem vorgeordneten
Schutzschalter überschritten,
weil der Kurzschluss durch den nachgeordneten Schutzschalter nicht
innerhalb einer vorgegebenen Zeit gelöscht worden ist, wird auch
der vorgeordnete Schutzschalter mit dem Steuerbefehl Ka ausgelöst.
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Bei
den Abschaltungen im Kurzschlussfall wird die Bogenarbeit Ai für
jeden Schaltvorgang und jeden Schaltkontakt gemessen. Die Summe ΣAi dieser Bogenarbeiten Ai wird
gebildet und mit einem vorgegebenen Endwert Ae verglichen.
Wird dieser Endwert Ae von wenigstens einem
der Schaltkontakte überschritten,
wird mit einem Steuerbefehl Kb ein erneutes
Einschalten des Schutzschalters unterdrückt und ein Statussignal S2 generiert.
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Zusätzlich zur
Bogenarbeit Ai kann auch noch für jeden
Schaltvorgang der zeitliche Verlauf der Bogenspannung ui oder
der Bogenleistung Pi überwacht werden. Hierzu werden
der zeitliche Verlauf des Spannungsabfalls ui und
des Stromes ii erfasst und für jeden
Schaltvorgang gespeichert und ausgewertet.
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Aus
den gemessenen Signalverläufen
werden charakteristische Kenngrößen K abgeleitet.
Als Kenngröße K wird
beispielsweise das Integral ∫uidt des Spannungsabfalles ui in
einem Zeitfenster ermittelt, in dem ein Strom ii fließt, für den gilt
iu < i < io,
wobei iu und io ein
unterer bzw. oberer Grenzwert beispielsweise 10kA und 20kA ist.
Unterschreitet diese Kenngröße einen
vorgegebenen Wert K0, ist dies ein Indiz
dafür,
dass benachbarte Löschbleche
der Löschkammer
durch vorhergehende Kurzschlussfälle
miteinander verschweißt,
d.h. kurzgeschlossen sind. Dies ist ein Indiz für das Ende der Lebensdauer des
Schutzschalters. In diesem Fall wird entweder mit dem Steuerbefehl
Kb ein erneutes Einschalten verhindert oder
es wird ein Statussignal S3 generiert, das
diesen Zustand anzeigt, so dass dieser vor einem endgültigen Ausfall
ausgetauscht werden kann.