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Die Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutzeinheit für einen Niederspannungsstromkreis nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, ein System und ein Verfahren für eine Fehlerstromschutzeinheit für einen Niederspannungsstromkreis nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 18.
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Fehlerstromschutzschalter für elektrische Stromkreise, insbesondere für Niederspannungsstromkreise bzw. -anlagen, sind allgemein bekannt. Fehlerstromschutzschalter werden auch als FI-Schutzschalter bzw. Residual Current Devices bezeichnet, kurz RCD.
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Mit Niederspannung sind Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder/und 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung, mit Werten von 50 Volt Wechselspannung sowie 120 Volt Gleichspannung sind.
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Mit Stromkreisen, insbesondere für Niederspannung, sind Stromkreise für Ströme bis zu 6300 Ampere gemeint, spezieller Ströme bis zu 1600 Ampere, 1200 Ampere, 630 Ampere, 125 Ampere oder 63 Ampere. Mit den genannten Stromwerten sind insbesondere Nenn- oder/und Abschaltströme gemeint, d.h. der Strom der im Normalfall maximal über den Stromkreis geführt wird bzw. bei denen der elektrische Stromkreis üblicherweise unterbrochen wird, beispielsweise durch eine Schutzeinrichtung, wie einem Leitungsschutzschalter oder einem Leistungsschalter.
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Fehlerstromschutzschalter ermitteln die Stromsumme in einem elektrischen Stromkreis, die im Normalfall null ist, und unterbrechen bei Überschreiten eines Differenzstromwertes, d.h. einer Stromsumme von ungleich null, die einen bestimmten (Differenz-)Stromwert bzw. Ansprechstromwert respektive Fehlerstromwert bzw. Fehleransprechstromwert übersteigt, den elektrischen Stromkreis.
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Fast alle bisherigen Fehlerstromschutzschalter weisen einen Summenstromwandler auf, dessen Primärwicklung durch die Leiter des Stromkreises gebildet wird und dessen Sekundärwicklung die Stromsumme bzw. ein Äquivalent der Stromsumme, z.B. in Form einer Spannung, abgibt, welche direkt oder indirekt zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises verwendet wird.
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Hierzu sind zwei oder mehr Leiter, meist Hin- und Rückleiter bzw. Außen- und Neutralleiter in einem Einphasenwechselstrom-Netz, alle drei Außenleiter oder alle drei Außenleiter und der Neutralleiter bei einem Dreiphasenwechselstromnetz, durch einen, meist einen ringförmigen Kern aus ferromagnetischen Material aufweisenden, Stromwandler geführt. Gewandelt wird nur der Differenzstrom, d.h. ein von Hin- und Rückstrom abweichender Strom, aus den Leitern. Üblicherweise ist die Stromsumme in einem elektrischen Stromkreis gleich null. So können Fehlerströme erkannt werden.
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Fließt beispielsweise energiesenkenseitig bzw. verbraucherseitig ein Strom gegen Erde ab, so wird in diesem Zusammenhang von einem Fehlerstrom gesprochen. Ein Fehlerfall liegt beispielsweise dann vor, wenn eine elektrische Verbindung von einem Phasenleiter bzw. Außenleiter des elektrischen Stromkreises zur Erde existiert. Beispielsweise, wenn eine Person den Phasenleiter berührt. Dann fließt ein Teil des elektrischen Stromes nicht wie üblich über den Neutralleiter bzw. Nullleiter zurück, sondern über die Person und die Erde. Dieser Fehlerstrom kann nun mit Hilfe des Summenstromwandlers erfasst werden, da die betragsmäßig erfasste Summe aus zufließenden und zurückfließenden Strom ungleich Null ist. Über ein Relais bzw. einen Haltemagnet-Auslöser bzw. einer Unterbrechungseinheit, beispielsweise mit verbundener Mechanik, wird eine Unterbrechung des Stromkreises, z.B. mindestens einer, eines Teils oder aller Leitungen bewirkt. Fehlerstromschutzschalter zur Erfassung von Wechselfehlerströmen sind allgemein aus der Druckschrift
DE 44 32 643 A1 bekannt.
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Die Hauptfunktion von Fehlerstromschutzschaltern ist Personen vor elektrischen Strömen (elektrischer Schlag) zu schützen, sowie Anlagen, Maschinen oder Gebäude vor Brand durch elektrische Isolationsfehler.
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Wenn der Fehlerstromschutzschalter bzw. dessen Summenstromwandler so ausgebildet ist, dass die sekundärseitige Energie zur Betätigung einer Auslöseeinheit bzw. einer Unterbrechungseinheit bzw. eines Auslösers ausreicht, dann nennt man derartige Fehlerstromschutzschalter netzspannungsunabhängig; andernfalls netzspannungsabhängig.
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Ist ein Netzteil zur Energieversorgung einer Fehlerstromerkennung vorgesehen, so handelt es sich um netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschalter. Diese sind beispielsweise erforderlich, um Fehlerströme in Gleichspannungsnetzen sowie gemischten Gleich/Wechselstromnetzen bzw. bei Stromkreisen mit hohen Frequenzen zu erkennen.
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Ein Fehlerstromschutzschalter besteht im Wesentlichen aus den Funktionsgruppen Summenstromwandler, Detektionseinheit, Steuerungseinheit, Unterbrechungseinheit/Kontakte. Ferner ist in der Regel ein Prüfstromkreis mit Prüftaste und Prüfwiderstand vorgesehen. Die Funktionsfähigkeit des Fehlerstromschutzschalters bzw. der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung lässt sich über die Prüftaste kontrollieren.
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Fehlerstromschutzschalter gibt es in unterschiedlichen Typen, die durch Buchstaben bzw. Buchstabenkombinationen bezeichnet werden, wie beispielsweise AC, A, F, G, K, S, B, B+. Jeder Typ erfasst eine bestimmte Art von Fehlerströmen bzw. ist für bestimmte Fehlerströme vorgesehen. Die Fehlerstromschutzschalter werden derart hinsichtlich ihrer Eignung zur Erfassung von unterschiedlichen Fehlerstromformen unterschieden.
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Generell sind aktuell Fehlerstromschutzschalter 2-polig für Phasen- und Neutralleiter (L+N), 3-polig für drei Phasenleiter (L1, L2, L3) und 4-polig für drei Phasenleiter und Neutralleiter (L1, L2, L3, N) bekannt.
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Beispielsweise erfassen Fehlerstromschutzschalter vom Typ AC nur rein sinusförmige Fehlerströme.
Fehlerstromschutzschalter vom Typ A erfasst sowohl rein sinusförmige Wechselfehlerströme als auch pulsierende Gleichfehlerströme.
Fehlerstromschutzschalter vom Typ F sind mischfrequenzsensitive Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen. Sie erfassen alle Fehlerstromarten wie Typ A, darüber hinaus sind sie zur Erfassung von Fehlerströmen, die aus einem Frequenzgemisch von Frequenzen bis zu 1 kHz bestehen, geeignet.
Ein Fehlerstromschutzschalter vom Typ K beinhaltet die Charakteristik des Typ A, allerdings ist er in seinem Abschaltverhalten kurzzeitverzögert.
Fehlerstromschutzschalter vom Typ S sind selektive Fehlerstromschutzschalter, die im Bemessungsdifferenzstrom als auch in der Auslösezeit gestaffelt werden können. Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen des Typ B dienen, neben der Erfassung der Fehlerstromformen des Typs F, auch zur Erfassung von glatten Gleichfehlerströmen. Ferner sind sie für Fehlerströme mit Frequenzen bis zu 2 kHz geeignet.
Für Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen des Typs B+ gelten dieselben Bedingungen wie für Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen des Typs B. Lediglich der Frequenzbereich für die Erfassung von Fehlerströmen gilt für einen erweiterten Bereich bis 20 kHz. Die Auslösung erfolgt innerhalb dieses Frequenzbereiches unterhalb 420 mA.
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Die Eigenschaften eines jeweiligen Typs sind in der Regel durch Normen definiert.
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Derartige Fehlerstromschutzschalter weisen teilweise zwei Summenstromwandler bzw. Detektionskreise auf, um die verschiedenen Fehlerstromarten zu erfassen und damit eine typgerechte Funktionalität zur Verfügung zu stellen.
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Üblicherweise werden Fehlerstromschutzschalter für ihren Einsatz genau für einen Typ von zu erfassenden Fehlerströmen gebaut. Damit steht für jeden Einsatzfall ein typgerechter Fehlerstromschutzschalter zur Verfügung.
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Ändert sich in einem existierenden Stromkreis bzw. Anlage der Einsatzfall, ist von vornherein ein Fehlerstromschutzschalter mit der höchsten Funktionalität einzusetzen, obwohl diese (noch) gar nicht benötigt wird, oder der Fehlerstromschutzschalter ist im Nachhinein für den neuen Einsatzfall auszutauschen, was aufwendig ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Fehlerstromschutzschalter der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere eine breitere Funktionalität zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Fehlerstromschutzeinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein System gemäß Patentanspruch 17 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 18 gelöst.
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Mit Fehlerstromschutzeinheit ist insbesondere ein Gerät zur Detektion von Fehler- oder Differenzströmen gemeint.
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Erfindungsgemäß ist eine Fehlerstromschutzeinheit für einen Niederspannungsstromkreis vorgesehen, aufweisend:
- - mehrere Leiter (mit mehrere Leiter sind mindestens zwei Leiter gemeint) eines zu schützenden Niederspannungsstromkreises, - einen ersten Summenstromwandler, dessen Primärseite durch die Leiter gebildet ist und der eine erste Sekundärwicklung aufweist,
- - eine mit der ersten Sekundärwicklung verbundene erste Detektionseinheit, die andererseits mit einer Steuerungseinheit verbunden ist,
- - einen zweiten Summenstromwandler, dessen Primärseite ebenfalls durch die Leiter gebildet ist und der eine zweite Sekundärwicklung aufweist,
- - eine mit der zweiten Sekundärwicklung verbundene zweite Detektionseinheit, die andererseits mit der Steuerungseinheit verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist eine Auswahleinheit vorgesehen. Die Steuerungseinheit ist mit der Auswahleinheit verbunden. Die die Steuerungseinheit und die Auswahleinheit sind derart ausgestaltet, dass zwischen verschiedenen Typen von Fehlerstromschutzschaltern umgeschaltet werden kann. Die Fehlerstromschutzeinheit weist dann die Funktionalität des ausgewählten Typs auf.
Dies hat den Vorteil, dass eine Fehlerstromschutzeinheit mit mehreren Funktionalitäten / Typarten zur Verfügung steht. So kann für unterschiedliche Applikationen mit unterschiedlichen Fehlerstromformen die gleiche Fehlerstromschutzeinheit verwendet werden. Dadurch reduziert sich die Anzahl an zur Verfügung zu stellenden bzw. anzubietenden Fehlerstromschutzschaltern. Entwicklungs- und Lagerkosten für unterschiedliche Typen können reduziert werden. Je nach Applikation kann der entsprechende Typ an der Fehlerstromschutzeinheit eingestellt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Fehlerstromschutzeinheit die Funktionalitäten der Typen B und B+ auf, so dass zwischen den Typen B und B+ umgeschaltet werden kann.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass mit einer Fehlerstromschutzeinheit die beiden gängigen Typen abgedeckt werden können, was die Lagerhaltung, den Bestellprozess und die Projektierung vereinfacht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Fehlerstromschutzeinheit die Funktionalitäten der Typen AC, A, B und B+ aufweist, so dass zwischen diesen Typen umgeschaltet werden kann.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass mit einer Fehlerstromschutzeinheit ein größerer Bereich unterschiedlicher Typen abgedeckt werden kann, was die Lagerhaltung, den Bestellprozess und die Projektierung vereinfacht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Fehlerstromschutzeinheit mindestens zwei Funktionalitäten, wahlweise drei, vier, fünf, sechs, sieben oder acht Funktionalitäten, der Typen AC, A, F, G, K, S, B, B+ auf, so dass aus mindestens zwei der Typen ausgewählt werden kann. Dies hat den besonderen Vorteil, dass mit der Fehlerstromschutzeinheit unterschiedlichste Typen abgedeckt werden können, was die Lagerhaltung, den Bestellprozess und Projektierung vereinfacht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erhält die Fehlerstromschutzeinheit eine Energieversorgung durch mindestens einen Teil der Leiter, insbesondere mittels eines Netzteils, spezieller eines Schaltnetzteiles.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Energieversorgung zur Verfügung steht, so dass beispielsweise ein netzspannungsunabhängiger und ein netzspannungsabhängiger Detektionskreis realisierbar ist; eine einfache Energieversorgung für die Steuerungseinheit zur Verfügung steht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Detektionseinheit:
- - ein erstes Tiefpassfilter oder/und einen Verstärker auf,
- - eine Ansteuerungseinheit, zur Erzeugung eines Stromes in der ersten Sekundärwicklung.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Realisierung für Detektionskreis gegeben ist, mit der beispielsweise Fehlerströme in Gleicherstromkreisen erkannt werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein zweites Tiefpassfilter vorgesehen.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine bessere Erkennung von Fehlerströmen, insbesondere für bestimmte Typen von Fehlerstromschutzschaltern, spezieller für die Typen und B und B+, ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Detektionseinheit ein drittes Tiefpassfilter oder/und einen Verstärker auf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine bessere Erkennung, insbesondere von Wechselfehlerströmen, ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerungseinheit einen Mikroprozessor auf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache mikroprozessorgestützte Auswertung ermöglicht wird, die vielfältige Funktionstypen einfach ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerungseinheit einen Analog-Digital-Umsetzer auf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache digitale Verarbeitung der Fehlerstrommesswerte ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Auswahleinheit einen Drehschalter, Schiebeschalter oder Tastschalter auf, zur Auswahl des Typs des Fehlerstromschutzschalters.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Einstellmöglichkeit des Typs gegeben ist. Insbesondere durch einen Drehschalter oder Schiebeschalter lässt sich einfach der eingestellte Typ ablesen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass die Funktionalität eines ersten ausgewählten Typs durch alleinige Auswertung des Signales der Sekundärwicklung nur eines Summenstromwandlers erfolgt.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Abschaltung eines Teils des Fehlerstromschutzschalters durchgeführt werden kann und damit Energieverbrauchsreduzierung des Fehlerstromschutzschalters erfolgt. Ein für einen Typ nicht benötigter Detektionskreis kann einfach abgeschaltet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Funktionalität eines zweiten ausgewählten Typs durch alleinige Auswertung des Signales der Sekundärwicklung des anderen Summenstromwandlers oder
dass die Funktionalität des zweiten ausgewählten Typs durch Auswertung der Signale der Sekundärwicklungen beider Summenstromwandler erfolgt.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass auch hier wahlweise Energie eingespart werden kann. Zudem kann die Typumschaltung sehr einfach, bspw. durch Umschaltung der Detektionskreise, realisiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Fehlerstromschutzeinheit Kontakte auf, die öffenbar bzw. schließbar sind, so dass ein Stromfluss durch die Leiter unterbrochen bzw. ermöglicht wird. Weiterhin ist eine Unterbrechungseinheit zum Öffnen der Kontakte vorgesehen, die mit der Steuerungseinheit verbunden ist.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine kompakte Fehlerstromschutzeinheit für Fehlerströme gegeben ist, die im Falle von Fehlerströmen, die einen Fehlerstromgrenzwert überschreiten, eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises selbst durchführt, wie ein Fehlerstromschutzschalter.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Fehlerstromschutzeinheit als Modul ausgestaltet, das mit einem Schaltgerät, insbesondere einem Leistungsschalter, verbindbar ist.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Schaltgerät, wie ein Leistungsschalter, um eine erfindungsgemäße Fehlerstromschutzeinheit erweitert werden kann, wobei unterschiedliche Typen von Fehlerstromschutzschaltern auswählbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der modularen Ausgestaltung der Fehlerstromschutzeinheit weist diese eine Schnittstelle auf, wie eine mechanische oder(und) elektrische Schnittstelle, die die Überschreitung eines Fehlerstromgrenzwertes signalisiert, insbesondere zum Schaltgerät.
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Die mechanische Schnittstelle kann beispielsweise als Stößel ausgestaltet sein. Die elektrische Schnittstelle beispielsweise als geschalteter Relaiskontakt. Die elektrische Schnittstelle kann durch eine Leitung, wie eine Zweidrahtleitung, Koaxilkabel etc. mit dem Schaltgerät verbunden sein. Beispielsweise kann durch Schließen eines Kontaktes in der Fehlerstromschutzeinheit eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises im Schaltgerät initiert werden.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders einfache Auslösung eines verbundenen Schaltgerätes, wie eines Leistungsschalters, gegeben ist.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein System, aufweisend eine Fehlerstromschutzeinheit in Verbindung mit einem Schaltgerät, insbesondere einen Leistungsschalter, beansprucht. Beide Geräte stehen im Betrieb in Wirkverbindung.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein korrespondierendes Verfahren für eine Fehlerstromschutzeinheit für einen Niederspannungsstromkreis mit mehreren Leitern beansprucht, bei dem:
- - ein erster und ein zweiter Detektionskreis vorgesehen ist, mit denen Differenzströme der Leiter ermittelbar sind,
- - bei Überschreitung eines Differenzstromschwellwertes ein Auslösesignal zur Unterbrechung der Leiter des Niederspannungsstromkreises abgegeben wird, beispielsweise über eine Schnittstelle, wie eine mechanische oder elektrische Schnittstelle, oder direkt zu einer Unterbrechungseinheit, so dass eine Unterbrechung des Stromkreises zumindest imitiert wird. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei, wahlweise drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr, unterschiedliche Typen von Fehlerstromschutzschaltercharakteristiken auswählbar.
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Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw. 18, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung der Funktionalität einer Fehlerstromschutzeinheit , insbesondere die Bereitstellung einer Typenauswahl an einem Fehlerstromschutzschalter.
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Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
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Dabei zeigt die Zeichnung:
- 1 eine Funktionsübersicht einer Auswahl verschiedener Typen von Fehlerstromschutzschaltern,
- 2 ein erstes Blockschaltbild einer Fehlerstromschutzeinheit ,
- 3 ein zweites Blockschaltbild einer Fehlerstromschutzeinheit,
- 4 ein drittes Blockschaltbild einer Fehlerstromschutzeinheit,
- 5 ein viertes Blockschaltbild einer Fehlerstromschutzeinheit,
- 6 eine erste Ansicht einer Fehlerstromschutzeinheit ,
- 7 eine zweite Ansicht einer Fehlerstromschutzeinheit,
- 8 eine dritte Ansicht einer Fehlerstromschutzeinheit,
- 9 eine vierte Ansicht einer Fehlerstromschutzeinheit,
- 10 ein fünftes Blockschaltbild mit einer Fehlerstromschutzeinheit.
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1 zeigt eine Funktionsübersicht einer Auswahl verschiedener Typen von Fehlerstromschutzschaltern, speziell der Typen AC, A, F, B und B+.
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In der ersten Spalte „Stromform“ sind die Stromformen durch Symbole abgebildet, von oben nach unten:
- - rein sinusförmige Wechselfehlerströme,
- - Halbwellen-Wechselfehlerströme
- - Angeschnittene (Phasenanschnitt) Wechselfehlerströme
- - Pulsierende Gleichfehlerströme,
- - höherfrequente Fehlerströme
- - Glatte Gleichfehlerströme
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In der zweiten Spalte sind die „Ordnungsgemäße Funktion von FI-Schutzeinrichtung des Typs“ AC, A, F, B und B+ angegeben. Den genannten Typen sind jeweilige Erfassungssymbole zugeordnet.
Des Weiteren ist angegeben, welcher Typ welche Stromform erfasst.
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In der dritten Spalte „Auslösestrom“ ist angegeben, welche Auslöseströme bzw. Auslösestrombereiche und ggfs. Anschnittwinkel (Phasenanschnitt) den jeweiligen Stromformen zugeordnet sind, ggfs. bezogen auf den Differenznennstrom IΔn.
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Mit Typ des Fehlerstromschutzschalters ist insbesondere eine Charakterisierung hinsichtlich der erfassten Stromform(en) oder/und des erfassten Stromfrequenzbereiches gemeint. Wahlweise zusätzlich hinsichtlich des erfassten Strom-Anschnittswinkels.
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2 zeigt ein erstes Blockschaltbild einer Fehlerstromschutzeinheit FI, aufweisend:
- - mehrere Eingangsanschlüsse 1, 3, 5, NE, für den energiequellenseitigen Anschluss der Fehlerstromschutzeinheit respektive des erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters FI an eine Energiequelle, beispielsweise einen Niederspannungsstromkreis bzw. ein Niederspannungsnetz;
- - mehrere Ausgangsanschlüsse 2, 4, 6, NA für den energiesenkenseitigen Anschluss der Fehlerstromschutzeinheit FI an eine Energiesenke, beispielsweise einen Verbraucher;
- - mehrere Leiter L1, L2, L3, N eines zu schützenden Niederspannungsstromkreises, wobei ein erster Leiter L1 zwischen erstem Eingangsanschluss 1 und ersten Ausgangsanschluss 2 geschaltet ist, dito ein zweiter Leiter L2 zwischen zweitem Eingangsanschluss 3 und zweitem Ausgangsanschluss 4, ein dritter Leiter L3 zwischen drittem Eingangsanschluss 5 und drittem Ausgangsanschluss 6 geschaltet ist, ein vierter Leiter N, z.B. Neutralleiter, zwischen vierten Eingangsanschluss NE und vierten Ausgangsanschluss NA geschaltet ist;
- - wobei z.B. die ersten bis dritten Leiter L1, L2, L3 Phasenleiter und der vierte Leiter N ein Neutralleiter bzw. Nullleiter eines beispielsweise Dreiphasenwechselstromkreises sind;
- - mehrere, z.B. erste bis vierte Kontakte K1, K2, K3, KN mit denen die ersten bis vierten Leiter L1, L2, L3, N elektrisch geöffnet oder geschlossen werden können, wobei ein Kontakt einem Leiter zugeordnet ist;
- - eine mit den Kontakten K1, K2, K3, KN verbundene Unterbrechungseinheit 10, zum Öffnen (und ggfs. Schließen) der Kontakte K1, K2, K3, KN;
- - einen mit der Unterbrechungseinheit 10 verbundene Steuerungseinheit 20, die ggfs. eine Öffnung der Kontakte K1, K2, K3, KN bewirkt;
- - einen ersten Summenstromwandler ZCT1, dessen Primärseite durch die Leiter L1, L2, L3, N gebildet ist, wobei die Leiter durch den Summenstromwandler ZCT1 hindurchgeführt sind, der Summenstromwandler beispielsweise als Ringkern 40, z.B. aus ferromagnetischen Material ausgeführt ist, und der eine erste Sekundärwicklung aufweist, die beispielsweise mehrere Windungen aufweist, wie angedeutet;
- - eine mit der ersten Sekundärwicklung verbundene erste Detektionseinheit 50, die andererseits mit der Steuerungseinheit 20 verbunden ist,
- - einen zweiten Summenstromwandler ZCT2, dessen Primärseite ebenfalls durch die Leiter L1, L2, L3, N gebildet ist, wobei die Leiter durch den zweiten Summenstromwandler ZCT2 hindurchgeführt sind, der Summenstromwandler beispielsweise als Ringkern 60, z.B. aus ferromagnetischen Material ausgeführt ist, und der eine zweite Sekundärwicklung aufweist, die beispielsweise mehrere Windungen aufweist, wie angedeutet;
- - eine mit der zweiten Sekundärwicklung verbundene zweite Detektionseinheit 70, die andererseits mit der Steuerungseinheit 20 verbunden ist.
Es ist eine Auswahleinheit 30 vorgesehen. Die Auswahleinheit 30 ist mit der Steuerungseinheit 20 verbunden. Die Auswahleinheit 30 und die Steuerungseinheit 20 sind derart ausgestaltet sind, dass zwischen verschiedenen Typen von Fehlerstromschutzschaltern umgeschaltet werden kann, so dass die Fehlerstromschutzeinheit die Funktionalität des ausgewählten Typs, siehe beispielsweise 1, aufweist.
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Funktional erzeugt ein in der ersten oder zweiten Sekundärwicklung induzierter Fehlerstrom, der beispielsweise einen Fehlerstromwert überschreitet, eine Unterbrechung mindestens eines, eines Teils oder aller Leiter, d.h. eine Öffnung eines, eines Teils oder aller Kontakte, so dass der elektrische Stromkreis unterbrochen wird. Die Unterbrechung kann durch eine nicht dargestellte Mechanik unterstützt werden.
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Die Steuerungseinheit 20 kann weitere Einheiten umfassen, wie einen oder mehrere Analog-Digital-Umsetzer 21, eine Werteberechnungseinheit 22 oder/und eine Schwellwertvergleichseinheit 22.
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Die Auswahleinheit 30 kann beispielsweise einen Drehschalter, Schiebeschalter, Tastschalter oder anderen Schalter aufweisen, zur Auswahl des Typs des Fehlerstromschutzschalters.
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Die erste Detektionseinheit 50 kann beispielsweise ein erstes Tiefpassfilter 51, ein zweites Tiefpassfilter 52 oder/und einen ersten Verstärker 53 aufweisen, die beispielsweise in Serie geschaltet sind. Die erste Detektionseinheit 50 kann ferner einen Ansteuerungseinheit zur Erzeugung eines Stromes in der ersten Sekundärwicklung aufweisen, beispielsweise bestehend aus einem Sättigungsdetektor 54, der ermitteltet, wenn der erste Summenstromwandler in eine Sättigung gerät, und einer Anregungseinheit 55, die abhängig von der Sättigung des Summenstromwandler einen Strom in der ersten Sekundärwicklung erzeugt. Mit der Ansteuerungseinheit können beispielsweise Fehlerströme in Gleichstromkreisen ermittelt werden.
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Der erste Summenstromwandler ZCT1 kann beispielsweise auf eine andere Art von Fehlerströmen als der zweite Summenstromwandler ZCT2 ausgelegt sein. Der erste Summenstromwandler ZCT1 kann beispielsweise zusammen mit der ersten Detektionseinheit 50 eine Auswertung bei glatten Gleicherstromfehlerströmen vornehmen.
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Die zweite Detektionseinheit 70 kann beispielsweise ein drittes Tiefpassfilter 71 oder/und einen zweiten Verstärker 72 aufweisen. Diese filtern oder/und verstärken den in der zweiten Sekundärwicklung erzeugten Differenzstrom und führen in der Steuerungseinheit 20 zu.
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Des Weiteren kann ein Netzteil 80 vorgesehen sein, beispielsweise ein Schaltnetzteil, das mit mindestens einem Teil der Leiter, insbesondere mit den ersten bis vierten Leitern L1, L2, L3, N, verbunden ist. Das Netzteil dient zur Energieversorgung mindestens eines Teiles der Einheiten des Fehlerstromschutzschalters, beispielsweise der Steuerungseinheit 20, der ersten Detektionseinheit 50 oder/und der zweiten Detektionseinheit 70.
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Die erste Detektionseinheit 50 kann z.B. als aktive Detektionseinheit oder netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit ausgestaltet sein.
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Die zweite Detektionseinheit 70 kann z.B. als passive Detektionseinheit oder netzspannungsunabhängige Fehlerstromschutzschaltereinheit ausgestaltet sein.
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Mit der Realisierung gemäß 2 kann zwischen mindestens zwei Fehlerstromschutzschaltertypen ausgewählt werden.
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Die Steuerungseinheit 20 erfasst die Auswahl der Auswahleinheit 30.
Die Steuerungseinheit 20 erfasst die Ausgangssignale der ersten 50 und zweiten Detektionseinheit 70.
Die erste Detektionseinheit 50 kann einen Strom (Erregungsstrom) im ersten Summenstromwandler ZCT1 erzeugen, um den Fehlerstrom im Summenstromwandler zu modulieren, um eine Detektion von z.B. Gleichfehlerströmen zu ermöglichen.
Die zweite Detektionseinheit 70 kann direkt einen Strom im zweiten Summenstromwandler ZCT2 erfassen.
Mit den ersten, zweiten oder/und dritten Filtern 51, 52, 71 können verschiedene Frequenzauswahlen erfolgen.
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Wenn beispielsweise durch die Auswahleinheit 30 ein Fehlerstromschutzschalter vom Typ AC oder A ausgewählt wird, kann z.B. eine Fehlerstromüberschreitung alleinig durch die zweite Detektionseinheit 70 in Zusammenhang mit der Steuerungseinheit 20 ermittelt werden. Die erste Detektionseinheit 50 kann beispielsweise abgeschaltet werden.
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Wenn beispielsweise durch die Auswahleinheit 30 ein Fehlerstromschutzschalter vom Typ B oder B+ ausgewählt wird, kann z.B. eine Fehlerstromüberschreitung durch Auswertung der Fehlerströme der ersten und zweiten Detektionseinheit 50, 70 in Zusammenhang mit der Steuerungseinheit 20 ermittelt werden.
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In anderen Fällen bzw. alternativ könnte alleinig eine Auswertung durch die erste Detektionseinheit 50 in Zusammenhang mit der Steuerungseinheit 20 durchgeführt werden. Die zweite Detektionseinheit 70 kann beispielsweise abgeschaltet werden.
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3 zeigt ein Blockschaltbild gemäß 2, mit dem Unterschied, dass alle Einheiten in einem Gehäuse 200 angeordnet sind, das beispielsweise als Modul ausgestaltet ist, mit Ausnahme der Unterbrechungseinheit 10 und Kontakten K1, K2, K3, KN.
Das Gehäuse 200, z.B. als Modul, kann mit einem Schaltgerät, wie einem Leistungsschalter in Verbindung stehen.
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Die Verbindung durch eine elektrische Verbindung 230 oder/und eine mechanische Verbindung, beispielsweise in Form eines Stößels, erfolgen. Die Verbindung kann eine gehäuseseitige Schnittstelle aufweisen.
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Die Unterbrechungseinheit 10 inklusive Kontakte K1, K2, K3, KN und ggfs. weiterer Einheiten ist hierbei z.B. Teil eines Schaltgerätes, wie eines Leistungsschalters.
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Mit Leistungsschalter ist hierbei ein Schutzgerät gemeint, dass ähnlich wie eine Sicherung funktioniert. Leistungsschalter überwachen den durch sie mittels mindestens eines Leiters hindurchfließenden Strom und unterbrechen den elektrischen Strom bzw. Energiefluss zu einer Energiesenke bzw. einem Verbraucher, was als Auslösung bezeichnet wird, wenn Schutzparameter, wie Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte, d.h. wenn ein Stromwert für eine gewisse Zeitspanne vorliegt, überschritten werden. Die Unterbrechung erfolgt beispielsweise durch Kontakte des Leistungsschalters, die geöffnet werden.
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Insbesondere für Niederspannungsstromkreise bzw. -netze gibt es abhängig von der Höhe des vorgesehenen elektrischen Stromes im elektrischen Stromkreis verschiedene Typen von Leistungsschaltern. Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Schalter gemeint, wie sie in Niederspannungsanlagen für Ströme von 63 bis 6300 Ampere eingesetzt werden. Spezieller werden geschlossene Leistungsschalter für Ströme von 63 bis 1600 Ampere, insbesondere von 125 bis 630 oder 1200 Ampere eingesetzt. Offene Leistungsschalter werden insbesondere für Ströme von 630 bis 6300 Ampere, spezieller von 1200 bis 6300 Ampere verwendet.
Offene Leistungsschalter werden auch als Air Circuit Breaker, kurz ACB, und geschlossene Leistungsschalter als Moulded Case Circuit Breaker oder Kompaktleistungsschalter, kurz MCCB, bezeichnet.
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Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Leistungsschalter mit einer elektronischen Auslöseeinheit, auch als Electronic Trip Unit, kurz ETU, bezeichnet, gemeint.
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4 zeigt eine Ausführung gemäß 2, mit den nachfolgend genannten Unterschieden.
Die erste Detektionseinheit 50 ist in eine erste Detektionsteileinheit 501 und eine zweite Detektionsteileinheit 502 aufgeteilt.
Die erste Detektionsteileinheit 501 umfasst dabei Funktionen zur Fehlerstromerfassung. Sie kann beispielsweise die Filter oder und Verstärker aufweisen, wie beispielsweise die Einheiten 51, 52 oder/und 53.
Die zweite Detektionsteileinheit 502 ist hierbei die Ansteuerungseinheit, die die Einheiten / Sättigungsdetektor 54 oder/und Anregungseinheit 55 aufweisen kann.
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Die Steuerungseinheit 20 weist alleinig einen Mikroprozessor MCU auf. Dieser kann beispielsweise an seinen Eingängen AI integrierte Analog-Digital-Umsetzer aufweisen.
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Die Auswahleinheit 30 ist als Drehschalter bzw. BCD-Schalter ausgeführt, mit dem ein Nutzer den Fehlerstromschutzschalter-Typ auswählen kann. Sie weist 4 Ausgänge auf, die mit 4 Eingängen DI der Steuerungseinheit 20 verbunden sind.
Die Auswahleinheit kann eine Versorgungsspannung VCC vom Netzteil 80 erhalten.
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Das Netzteil 80 weist mehrere Einheiten auf. Zum einen eine Gleichrichtereinheit 81, gefolgt von einem Gleichspannungskonverter 82, wie einem DC-DC Konverter, gefolgt von einem Gleichspannungsregler 83, wie einem Low Dropout Regulator respektive LDO. Am Ausgang dieses Netzteils wird eine Versorgungsspannung VCC bereit gestellt, die der Steuerungseinheit 20 sowie weiteren Einheiten bzw. Schaltungsteilen zur Verfügung gestellt werden kann.
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Die Unterbrechungseinheit 10 kann beispielsweise eine Spule bzw. ein Relais aufweisen, mit denen die Kontakte geöffnet werden. Alternativ kann ein Stößel bewegt werden, der z.B. eine mechanische Schnittstelle zumindest teilweise realisiert.
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Der Kern des ersten oder/und zweiten Summenstromwandlers 40, 60 kann aus nanokristallinen Material bestehen.
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In den Detektionseinheiten 50, 501, 502, 70 bzw. Verstärkern 53, 72 können Operationsverstärker eingesetzt sein. Die Filter/Tiefpassfilter 51, 52, 71 können ebenfalls mittels Operationsverstärker realisiert sein. Die Ansteuerungseinheit 502 bzw. Einheiten 54, 55 / Sättigungsdetektor 54 / Anregungseinheit 55 / können ebenfalls Operationsverstärker aufweisen.
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Die Detektionseinheiten 50, 70 können Widerstände aufweisen, wie angedeutet.
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5 zeigt ein Blockschaltbild gemäß 4, mit dem Unterschied, dass alle Einheiten, bis auf die Kontakte K1, K2, K3, KN, in einem Gehäuse 300 angeordnet sind.
Das Gehäuse 300 kann als Modul ausgestaltet sein, das mit einem Schaltgerät 400, wie einem Leistungsschalter in Verbindung steht.
Die Verbindung ist dabei beispielsweise durch eine mechanische Schnittstelle bzw. Verbindung 330, beispielsweise in Form eines Stößels, realisiert. Der Stößel wird z.B. durch eine Spule in der Unterbrechungseinheit 10 betätigt.
Die Kontakte K1, K2, K3, KN und ggfs. weitere Einheiten sind hierbei Teil des Schaltgerätes 400, wie eines Leistungsschalters. Der Stößel bewirkt eine Auslösung der Kontakte des Schaltgerätes 400, insbesondere Leistungsschalters. Das Schaltgerät kann weitere Einheiten, wie eine nicht dargestellte Mechanik aufweisen, um die Bewegung des Stößels zur Auslösung zu verwenden.
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Alternativ kann auch eine elektrische Auslösung erfolgen, beispielsweise mit Hilfe einer elektronischen Auslöseeinheit des Schaltgerätes, wie z.B. Leistungsschalters.
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6 zeigt eine erste beispielhafte Ansicht einer Fehlerstromschutzeinheit FI. Dieser weist, neben den Einstellmöglichkeiten für den Fehlerstrom bzw. Fehleransprechstrom 91 oder/und die Auslösezeit bzw. Grenznichtansprechzeit 92, eine Auswahleinheit 30, beispielsweise in Form eines Drehschalters, auf. Mit diesen kann zwischen mindestens zwei Fehlerstromschutzschalter-Typen, beispielsweise Typ B und B+, umgeschaltet werden.
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7 eine zweite beispielhafte Ansicht gemäß 6, mit dem Unterschied, dass zwischen 4 verschiedenen Typen eines Fehlerstromschutzschalters umgeschaltet werden kann. Beispielsweise zwischen Typ AC, A, B und B+. Jede andere Kombination von Typen ist ebenso denkbar, ebenso jede andere Anzahl.
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8 zeigt eine Anordnung eines Systems, aufweisend eine Fehlerstromschutzeinheit in Modulbauweise 300 in Verbindung mit einem Schaltgerät 400, wie z.B. einem Leistungsschalter.
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9 zeigt eine andere Darstellung gemäß 7, wobei ein Schaltausgang X1 eines Relais mit einer Serienschaltung einer Spannungsquelle U, einer Sicherung F und einer ersten Lampe bzw. Leuchtdiode L1, wahlweise einer Parallelschaltung einer zweiten Lampe bzw. Leuchtdiode L2, verbunden ist. So kann beispielsweise die Überschreitung eines Fehlerstromgrenzwertes signalisiert werden.
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10 zeigt eine Anordnung eines weiteren Systems, aufweisend eine Fehlerstromschutzeinheit 500, mit einem externen Summenstromwandler ZCT, sowie einer elektrischen Verbindung 900 zu einem Schaltgerät 800, wie einem Leistungsschalter, wobei die elektrische Verbindung mit einer Einheit 700 des Schaltgerätes verbunden, zur Auslösung des Schaltgerätes. Die Einheit 700 kann beispielsweise ein elektrischer Über- oder Unterspannungsauslöser sein. Die Fehlerstromschutzeinheit 500, die alle Einheiten im Gehäuse 200 gemäß 3 aufweisen kann, mit Ausnahme des Summenstromwandlers ZCT, kann dabei auf einer Hutschiene 600 montiert sein.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Funktionalität einer Fehlerstromschutzeinheit bzw. eines Fehlerstromschutzschalters erhöht wird. Mit der Erfindung kann die Typenvielfalt an Fehlerstromschutzschaltern reduziert werden, was Entwicklungs-, Produktions- und Lagerhaltungskosten reduziert.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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