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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Stromverteilung mit zumindest zwei miteinander verbundenen Schaltern, insbesondere Leistungsschaltern für Niederspannungen gemäß dem Anspruch 1.
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Es ist bekannt, den Strom in elektrischen Schaltanlagen über Schalter auf die einzelnen Anlagenzweige zu verteilen. Bei den Schaltern handelt es sich um entsprechende Leistungsschalter z.B. für den Niederspannungsbereich, die jeweils für einen Nennstrom ausgelegt sind und den durch den Schalter fließenden Strom im Fehlerfalle unterbrechen, insbesondere bei einem Kurzschluss. Dabei soll jeweils nur der Anlagenzweig abgeschaltet werden, der von dem Fehler betroffen ist, d.h. nur der Schalter öffnen, der übergeordnet dem Fehler am nächsten liegt. Dieses Verhalten wird selektives Abschaltverhalten genannt. Das maximal erreichbare selektive Abschaltverhalten wird als totale Selektivität bezeichnet. Totale Selektivität ist erreicht, wenn das maximal auftretende Kurzschlussvermögen den Selektivitätsgrenzwert der betroffenen Kombinationen nicht überschreitet. Das selektive Abschaltverhalten ist bis zum Kurzschluss-Ausschaltvermögen der Schaltanlage bzw. der einzelnen Anlagenzweige zu gewährleisten. Ziel der Anlagenprojektierung ist es, dass das selektive Abschaltverhalten bis zum Selektivitätsgrenzwert gewährleistet ist.
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Die Schalter sind in Schaltanlagen gestaffelt (in Staffelebenen) angeordnet. Bei mehreren Schaltern bilden der unmittelbar hinter der Einspeisung angeschlossene Einspeiseschalter die höchste Staffelebene, die an den Schalter der höchsten Staffelebene angeschlossenen Schalter die nächst niedrigere Staffelebene, die an die Schalter der nächst niedrigeren Staffelebene angeschlossenen Schalter die darunter befindliche Staffelebene und so weiter. Bei einer gestaffelten minimalen Schalter-Anordnung sind mindestens zwei Schalter in Reihe geschaltet, der vorgeordnete Einspeiseschalter und ein nachgeordneter Schalter.
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Zumindest in jedem vorgeordneten Schalter sind eine Auslöseeinheit und eine Erfassungseinrichtung vorgesehen, die mit Hilfe von Wandlern den Strom und die Spannung erfasst, welcher durch den Schalter fließt bzw. an diesem (und damit an dem Anlagenzweig bzw. den Anlagenzweigen) abfällt.
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Die Auslöseeinheit berechnet anhand des Stroms und gegebenenfalls der Spannung zumindest einen Wert, der anhand eines vorgegebenen Auslösekriteriums (z.B. eines vorgegebenen Stromgrenzwerts) bewertet wird. Ist das Auslösekriterium erfüllt, wird der Schalter geöffnet.
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Die Selektivität wird heute grundlegend durch zwei Aufbau-Anordnungen (Topologien) gewährleistet, wobei die Schalter über eine geeignete Schalterlogik z.B. die Melde-Selektivität verfügen, die gegebenenfalls durch spezifische mechanische Aufbauten unterstützt wird.
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Speziell sind die Schalter so ausgeführt, dass die Schalterlogik und/oder die mechanische Konstruktion das Abschaltverhalten im Selektivfall bestimmt, so dass das mechanische wie auch das logische Zusammenspiel bei der Projektierung einer Schaltanlage z.B. mittels Tabellen bestimmt werden kann.
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Das heißt, bei der Projektierung wird für eine bestimmte Position innerhalb der Staffelung (gestaffelte Schalteranordnung) jeweils ein geeigneter Schalter ausgewählt, um die Selektivität zu gewährleisten, wobei die Schalter bestimmten Randbedingungen (Schaltereinstellungen) genügen müssen.
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Bei den Schaltern wird zwischen Strom-, Zeit- und Energieselektivität unterschieden. Stromselektiv bedeutet Staffelung nach den Überstrom-Ansprechwerten, zeitselektiv Staffelung nach den Verzögerungszeiten bei Erkennung eines Überstroms und energieselektiv Staffelung nach der Auslöseenergie.
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Die
EP 0 838 887 B1 zeigt einen typischen Aufbau einer Schalteranordnung mit Meldeselektivität, die auch als Zone Selective Interlocking (ZSI) bekannt ist. Dieser Aufbau geht von der Kommunikation der in der Anlage verwendeten Leistungsschalter untereinander aus, die bewirkt, dass der Schalter, der dem Kurzschluss am nächsten liegt, diesen abschaltet, die übergeordneten Schalter aber durch ein Sperrsignal am Auslösen hindert. Der Kommunikationsweg erfolgt jeweils von den nachgeordneten (d.h. dem Fehler näher gelegenen) Schaltern in Richtung Einspeisung.
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Aus der
WO 2009/156513 A1 ist ein Verfahren zum selektiven Auslösen von Schaltern im Falle eines Kurzschlusses bekannt, bei dem überwacht wird, ob der Stromanstieg einen exponentiellen Verlauf aufweist und damit abgangsseitig ein Schaltlichtbogen vorliegt.
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Weiter ist aus der
DE 10 2007 052 963 ein Verfahren zum Erkennen eines Kurzschlusses bekannt, bei dem der Strom sowie dessen erste und zweite zeitliche Ableitung und daraus eine Wichtungssumme ermittelt werden. Ein Kurzschluss liegt danach vor, wenn die Wichtungssumme einen Grenzwert überschreitet, was einem vorgegebenen Stromanstieg entspricht.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Selektivschutz vorzuschlagen, der sich mit geringerem technischen Aufwand erzielen lässt.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
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Die Lösung sieht vor, dass der nachgeordnete Schalter kommunikationsmäßig mit der Auslöseeinheit eines als Einspeiseschalter fungierenden vorgeordneten Schalters verbunden ist, dass die nachgeordneten Schalter den erfassten Strom und die erfasste Spannung jeweils an die Auslöseeinheit übermitteln, dass die Bewertung mittels eines in der Auslöseeinheit ablaufenden Algorithmus erfolgt, der jeweils anhand des Stromanstiegs das Auftreten eines Schaltlichtbogens erkennt, und dass bei erkanntem Schaltlichtbogen die Unterbrechung des nachgeordneten Schalters vom vorgeordneten Schalter mittels eines zum nachgeordneten Schalter übermittelten Auslösebefehls ausgelöst wird. Der erfinderische Schritt liegt darin, dass nicht mehr jeder in der Schaltanlage selektiv wirkende Schalter mit der vollen Funktionalität der Meldeselektivität ausgestattet sein muss. Dazu wird eine sehr schnelle Schaltlichtbogenerkennung verwendet, die es ermöglicht, einen Kurzschluss aus der Sicht des als Einspeiseschalter fungierenden übergeordneten Schalters zu erkennen. Anhand des Stromanstiegs wird ein Kurzschluss innerhalb von zehntel Millisekunden erkannt. Mit Hilfe der Kurschlussfrüherkennung in Kombination mit der Kommunikation ist es möglich, Schalter auch im Nennstromabstand von 1:1 bei hohen Selektivitätswerten zu staffeln. Damit wird die Soft- und Hardware nur einmal pro Anlage im Einspeiseschalter benötigt. Der Auslösebefehl an die nachgeordneten Schalter wird durch den Einspeiseschalter gegeben, der über die zentrale Logik verfügt.
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Bei mehreren nachgeordneten Schaltern sind diese zweckmäßigerweise selektiv gestaffelt angeordnet, wobei alle nachgeordneten Schalter den erfassten Strom und die erfasste Spannung jeweils an die Auslöseeinheit übermitteln und wobei die Auslöseeinheit dann den Auslösebefehl zu dem nachgeordneten Schalter übermittelt, der dem Kurzschluss am nächsten liegt.
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Zur Vereinfachung sind bei mehreren nachgeordneten Schaltern die Endabzweigschalter kommunikationsmäßig nicht mit der Auslöseeinheit verbunden, sondern schalten den Strom bei Auftreten eines Kurzschlusses unverzögert ab.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, wobei die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Schaltanlage (Anordnung 1) mit mehreren Schaltern 2, 2a, 2b zeigt. In der Schaltanlage sind die Schalter 2, 2a, 2b gestaffelt angeordnet, wobei sich der Strom von einer Einspeisung 3 aus über den als Einspeiseschalter fungierenden Schalter 2b und die Schalter 2, 2a auf die einzelnen Anlagenzweige verteilt. Bei den Schaltern 2, 2a, 2b handelt es sich um Leistungsschalter für den Niederspannungsbereich, die jeweils für einen Nennstrom ausgelegt sind. Durch jeden der Schalter 2, 2a, 2b ist für jede Phase ein Leiter geführt. Bei geschlossenem Schalter 2, 2a, 2b liegen die Schaltkontakte jeder Phase aneinander an. Zum Öffnen eines Schalters 2, 2a, 2b werden dessen Schaltkontakte durch einen Schaltmechanismus voneinander getrennt.
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Der als Einspeiseschalter fungierenden Schalter 2b unmittelbar hinter der Einspeisung 3 bildet hier die Staffelebene IV der Schaltanlage, also die IV. oder höchste Staffelebene. Die drei Schalter 2, 2a unter der Staffelebene IV bilden die Staffelebene III, die drei Schalter 2, 2a unter der Staffelebene III die Staffelebene II und die drei Schalter 2a unter der Staffelebene II die Staffelebene I. Alle Schalter, die Endabzweigschalter sind, sind in 1 mit die Bezugsziffer 2a gekennzeichnet; sie sind als Schalter 2a mit unverzögerter Auslösung ausgeführt (z.B. als thermo-magnetische Auslöser). Beispielweise sind die beiden in der Figur rechts dargestellten Schalter 2a der Staffelebene III Endabzweigschalter, an die je ein Anlagenzweig als Endabzweig und kein weiterer Schalter 2 nachgeordnet ist. Die Pfeile 4 zeigen jeweils in Richtung Anlage bzw. in Richtung Anlagenzweig. Von der Einspeisung 3 aus gesehen fließt der Strom durch den Schalter 2b der Staffelebene IV und dann durch die diesem Schalter 2b nachgeordneten Schalter 2, 2a der Staffelebene III. Der in 1 links dargestellte Schalter 2 der Staffelebene III ist mit den drei Schaltern 2, 2a der Staffelebene II verbunden, von denen die beiden in 1 links dargestellten Schalter 2a der Staffelebene II ebenfalls Endabzweigschalter sind. Der rechts dargestellte Schalter 2 der Staffelebene II ist wiederum mit den drei Schaltern 2a der Staffelebene I verbunden, die alle drei Endabzweigschalter sind.
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Der Strom, der durch einen Schalter 2 der Staffelebene I fließt, fließt auch durch den rechten Schalter 2 der Staffelebene II, und der Strom, welcher durch den linken Schalter 2 der Staffelebene III, fließt auch durch den Schalter 2 der Staffelebene IV. Diese Schalter 2 sind quasi in Reihe geschaltet. Ein Kurzschlussstrom in einem Anlagenzweig, der an einen der Schalter 2 der Staffelebene I angeschlossen ist, fließt also durch diese drei quasi in Reihe geschalteten Schalter 2.
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Von der Einspeisung 3 aus gesehen ist der Schalter 2b der Staffelebene IV den Schaltern 2, 2a der Staffelebene III vorgeordnet, umgekehrt sind die Schalter 2, 2a der Staffelebene III dem Schalter 2b der Staffelebene IV nachgeordnet.
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Jeder Schalter 2, 2b weist eine Erfassungseinrichtung für den Strom auf, welcher durch den (zugehörigen) Schalter 2, 2b fließt, und die Spannung, die an dem (zugehörigen) Schalter 2, 2b abfällt. Die jeweils am (zugehörigen) Schalter 2, 2b abfallende Spannung ist quasi die Spannung, die an dem nachfolgenden Anlagenzweig bzw. den Anlagenzweigen abfällt.
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Weiter weist nur der Schalter 2b als Einspeiseschalter eine zentrale Logikeinheit ZLE auf, mit welcher alle nachgeordneten Schalter 2, die nicht Endabzweigschalter sind, kommunikationsmäßig über eine Verbindung V verbunden sind, beispielweise über Kommunikationsleitungen. Die nachgeordneten Schalter 2, 2a übermitteln den von ihnen erfassten Strom und die erfasste Spannung jeweils an die zentrale Logikeinheit ZLE.
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Die zentrale Logikeinheit ZLE ist mit einem Algorithmus (Rechenalgorithmus) ausgestattet, der einen Schaltlichtbogen erkennt, wenn dieser in einem Schalter 2, 2a, 2b auftritt. Die Erkennung erfolgt relativ früh, nämlich sobald die Schaltkontakte beginnen, sich etwas zu trennen und dabei einen Schaltlichtbogen zu ziehen, also bereits innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde. Der Schaltlichtbogen wird dabei durch den Algorithmus zeitlich weit vor der vollständigen Öffnung der Schaltkontakte erkannt.
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Bei erkanntem Schaltlichtbogen wird die Unterbrechung des nachgeordneten Schalters 2 ausgelöst, welcher der Fehlerstelle am nächsten liegt, wobei diesem Schalter von der zentralen Logikeinheit ZLE zum Auslösen ein Auslösebefehl an dessen Auslöseeinheit übermittelt wird.
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Selbstverständlich können auch die Endabzweigschalter (Schalter 2a) eine Erfassungseinrichtung aufweisen, ihre Daten der zentralen Logikeinheit ZLE übermitteln und erst bei Empfang eines Auslösebefehl auslösen.
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Als Einspeiseschalter (Schalter 2b) im Sinne der Erfindung kann auch jeder Unterverteilungshauptschalter fungieren, der dann die volle Funktionalität einer Kurzschlusserkennung benötigt und mit den nachgeordneten Schaltern verbunden sein muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0838887 B1 [0010]
- WO 2009/156513 A1 [0011]
- DE 102007052963 [0012]
