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Die Erfindung betrifft einen Summenstromwandler für einen Fehlerstromschutzschalter sowie einen Fehlerstromschutzschalter mit einem derartigen Summenstromwandler.
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Elektromechanische Schutzschaltgeräte - beispielsweise Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Fehlerstromschutzschalter sowie Lichtbogen- bzw. Brandschutzschalter - dienen der Überwachung sowie der Absicherung eines elektrischen Stromkreises und werden insbesondere als Schalt- und Sicherheitselemente in elektrischen Energieversorgungs- und Verteilnetzen eingesetzt. Zur Überwachung und Absicherung des elektrischen Stromkreises wird das Schutzschaltgerät über zwei oder mehrere Anschlussklemmen mit einer elektrischen Leitung des zu überwachenden Stromkreises elektrisch leitend verbunden, um bei Bedarf den elektrischen Strom in der jeweiligen überwachten Leitung zu unterbrechen. Das Schutzschaltgerät weist hierzu zumindest einen Schaltkontakt auf, der bei Auftreten eines vordefinierten Zustandes - beispielsweise bei Erfassen eines Kurzschlusses oder eines Fehlerstromes - geöffnet werden kann, um den überwachten Stromkreis vom elektrischen Leitungsnetz zu trennen. Derartige Schutzschaltgeräte sind auf dem Gebiet der Niederspannungstechnik auch als Reiheneinbaugeräte bekannt.
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Leistungsschalter sind dabei speziell für hohe Ströme ausgelegt. Ein Leitungsschutzschalter (sogenannter LS-Schalter), welcher auch als „Miniature Circuit Breaker“ (MCB) bezeichnet wird, stellt in der Elektroinstallation eine sogenannte Überstromschutzeinrichtung dar und wird insbesondere im Bereich der Niederspannungsnetze eingesetzt. Leistungsschalter und Leitungsschutzschalter garantieren ein sicheres Abschalten bei Kurzschluss und schützen Verbraucher und Anlagen vor Überlast, beispielsweise vor Beschädigung der elektrischen Leitungen durch zu starke Erwärmung in Folge eines zu hohen elektrischen Stromes. Sie sind dazu ausgebildet, einen zu überwachenden Stromkreis im Falle eines Kurzschlusses oder bei Auftreten einer Überlast selbsttätig abzuschalten und damit vom übrigen Leitungsnetz zu trennen. Leistungsschalter und Leitungsschutzschalter werden daher insbesondere als Schalt- und Sicherheitselemente zur Überwachung und Absicherung eines elektrischen Stromkreises in elektrischen Energieversorgungsnetzen eingesetzt. Leitungsschutzschalter sind aus den Druckschriften
DE 10 2015 217 704 A1 ,
EP 2 980 822 A1 ,
DE 10 2015 213 375 A1 ,
DE 10 2013 211 539 A1 oder auch
EP 2 685 482 B1 prinzipiell vorbekannt.
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Zur Unterbrechung einer einzigen Phasenleitung wird in der Regel ein einpoliger Leitungsschutzschalter verwendet, welche üblicher Weise eine Breite von einer Teilungseinheit (entspricht ca. 18mm) aufweist. Für dreiphasige Anschlüsse werden (alternativ zu drei einpoligen Schaltgeräten) dreipolige Leitungsschutzschalter eingesetzt, welche dementsprechend eine Breite von drei Teilungseinheiten (entspricht ca. 54mm) aufweisen. Jedem der drei Phasenleiter ist dabei ein Pol, d.h. eine Schaltstelle zugeordnet. Soll zusätzlich zu den drei Phasenleitern auch noch der Neutralleiter unterbrochen werden, spricht man von vierpoligen Geräten, welche vier Schaltstellen aufweisen: drei für die drei Phasenleiter sowie einen für den gemeinsamen Neutralleiter.
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Daneben existieren kompakte Leitungsschutzschalter, welche bei einer Gehäusebreite von nur einer Teilungseinheit zwei Schaltkontakte für je eine Anschlussleitung, d.h. entweder für zwei Phasenleitungen (Kompaktleitungsschutzschalter vom Typ 1+1) oder für eine Phasenleitung und den Neutralleiter (Kompaktleitungsschutzschalter vom Typ 1+N), bereitstellen. Derartige Kompakt-Schutzschaltgeräte in Schmalbauweise sind beispielsweise aus den Druckschriften
DE 10 2004 034 859 A1 ,
EP 1 191 562 B1 oder
EP 1 473 750 A1 prinzipiell vorbekannt.
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Ein Fehlerstromschutzschalter ist eine Schutzeinrichtung zur Gewährleistung eines Schutzes gegen einen gefährlichen Fehlerstrom in einer elektrischen Anlage. Ein derartiger Fehlerstrom - welcher auch als Differenzstrom bezeichnet wird - tritt auf, wenn ein spannungsführendes Leitungsteil einen elektrischen Kontakt gegen Erde aufweist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine Person ein spannungsführendes Teil einer elektrischen Anlage berührt: in diesem Fall fließt der Strom als Fehlerstrom durch den Körper der betreffenden Person gegen die Erdung ab. Zum Schutz gegen derartige Körperströme muss der Fehlerstromschutzschalter bei Auftreten eines derartigen Fehlerstroms die elektrische Anlage schnell und sicher allpolig vom Leitungsnetz trennen. Im Allgemeinen Sprachgebrauch werden anstelle des Begriffs „Fehlerstromschutzschalter“ auch die Begriffe FI-Schutzschalter (kurz: FI-Schalter), Differenzstromschutzschalter (kurz: DI-Schalter) oder RCD (für „Residual Current Protective Device“) gleichwertig verwendet.
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Bei Fehlerstromschutzschaltern wird ferner zwischen netzspannungsabhängigen und netzspannungsunabhängigen Gerätetypen unterschieden: während netzspannungsabhängige Fehlerstromschutzschalter eine Steuerungselektronik mit einem Auslöser aufweisen, die zur Erfüllung ihrer Funktion auf eine Hilfs- oder Netzspannung angewiesen ist, benötigen netzspannungsunabhängige Fehlerstromschutzschalter zur Realisierung der Auslösefunktion keine Hilfs- oder Netzspannung, sondern weisen zur Realisierung der netzspannungsunabhängigen Auslösung in der Regel einen etwas größeren Summenstromwandler auf, wodurch ein größerer Induktionsstrom in der Sekundärwicklung erzeugt werden kann.
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Daneben existieren auch Gerätebauformen, bei denen die Funktionalität eines Fehlerstrom-Schutzschalters mit der Funktionalität eines Leitungsschutzschalters kombiniert wird: derartige kombinierte Schutzschaltgeräte werden im Deutschen als FI/LS oder im englischsprachigen Raum als RCBO (für Residual current operated Circuit-Breaker with Overcurrent protection) bezeichnet. Diese Kombigeräte haben im Vergleich zu getrennten Fehlerstrom- und Leitungsschutzschaltern den Vorteil, dass jeder Stromkreis seinen eigenen Fehlerstrom-Schutzschalter aufweist: Normalerweise wird ein einziger FehlerstromSchutzschalter für mehrere Stromkreise verwendet. Kommt es zu einem Fehlerstrom, werden somit in Folge alle abgesicherten Stromkreise abgeschaltet. Durch den Einsatz von RCBOs wird nur der jeweils betroffene Stromkreis abgeschaltet.
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Zur Erfassung eines derartigen Fehler- bzw. Differenzstromes wird die Größe des Stromes in einer zu einem elektrischen Verbraucher hinführenden Leitung, beispielsweise einer Phasenleitung, mit der Größe des Stromes in einer vom elektrischen Verbraucher zurückführenden Leitung, beispielsweise eines Neutralleiters, mit Hilfe eines sogenannten Summenstromwandlers verglichen. Dieser weist einen ringförmigen Magnetkern auf, durch den die Primärleiter (hin- und rückführende elektrische Leitungen) hindurchgeführt sind. Der Magnetkern selbst ist mit einem Sekundärleiter bzw. einer Sekundärwicklung umwickelt. Im fehlerstromfreien Zustand ist die Summe der zu dem Verbraucher hinfließenden elektrischen Ströme gleich der Summe der vom Verbraucher zurückfließenden elektrischen Ströme. Werden die Ströme vektoriell, d.h. richtungsbezogen bzw. vorzeichenbehaftet, addiert, so folgt hieraus, dass die vorzeichenbehaftete Summe der elektrischen Ströme in den Hin- und Rückleitungen im fehlerstromfreien Zustand gleich Null ist: im Sekundärleiter wird kein Induktionsstrom induziert. Im Unterschied dazu ist im Falle eines Fehler- bzw. Differenzstromes, der gegen Erde abfließt, die im Summenstromwandler erfasste Summe der hin- beziehungsweise zurückfließenden elektrischen Ströme ungleich Null. Die dabei auftretende Stromdifferenz führt dazu, dass an der Sekundärwicklung eine der Stromdifferenz proportionale Spannung induziert wird, wodurch ein Sekundärstrom in der Sekundärwicklung fließt. Dieser Sekundärstrom dient als Fehlerstromsignal und führt nach Überschreiten eines vorbestimmten Wertes zum Auslösen des Schutzschaltgerätes und infolgedessen - durch Öffnen des zumindest einen Schaltkontaktes des Schutzschaltgerätes - zur Abschaltung des entsprechend abgesicherten Stromkreises.
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Insbesondere bei mehrpoligen Fehlerstromschutzschaltern - ob als reiner Fehlerstromschutzschalter oder als kombinierte Gärätebauform wie FI/LS bzw. RCBO - müssen bei der Montage des Summenstromwandlers die die vergleichsweise dicken Primärleiter manuell durch den ringförmigen Magnetkern hindurch gefädelt werden. Gerade bei kompakten Schutz- oder Messeinrichtungen, welche nur über einen geringen Bauraum verfügen, ist eine derartige Montage vergleichsweise aufwändig und zwingend von Hand auszuführen. Darüber hinaus steht bei heutigen Fehlerstromschutzschaltern aufgrund von Miniaturisierung und Funktionsintegration generell wenig Bauraum zur Verfügung. Besonders kritisch ist der vorhandene Bauraum für die innerhalb des Summenstromwandlers geführten Primärleiter: einerseits soll der Summenstromwandler möglichst kompakt gestaltet sein, andererseits aber begrenzen zu dünn dimensionierte Primärleiter den möglichen Nennstrom, des Summenstromwandlers, da bei kleineren Leitungsquerschnitten ein erhöhter Leitungswiderstand zu unzulässiger Erwärmung führt.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Summenstromwandler für einen Fehlerstromschutzschalter sowie einen Fehlerstromschutzschalter mit einem derartigen Summenstromwandler bereitzustellen, welche sich durch eine vereinfachte Montage auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Summenstromwandler für einen Fehlerstromschutzschalter sowie den Fehlerstromschutzschalter mit einem solchen Einschub-Summenstromwandler gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der erfindungsgemäße Summenstromwandler für einen Fehlerstromschutzschalter weist ein Wandlergehäuse auf, in dem ein Magnetkern aufgenommen und gehaltert ist. Das Wandlergehäuse weist dabei eine Öffnung auf, durch die zumindest zwei starre Primärleiter hindurchgeführt sind. Die Primärleiter sind dabei durch am Wandlergehäuse ausgebildete Stege voneinander beabstandet gehaltert, so dass innerhalb der Öffnung für jeden der Primärleiter ein prismenförmiger Aufnahmeraum gebildet ist. Die Primärleiter sind dabei mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt, wobei eine Querschnittsfläche zumindest eines der Primärleiter mit Hilfe des additiven Fertigungsverfahrens an eine Querschnittsfläche des dem jeweiligen Primärleiter zugeordneten Aufnahmeraums angepasst ist.
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Der Magnetkern, welcher Teil eines Summenstromwandlers für einen Fehlerstromschutzschalter, beispielsweise einen FI/LS bzw. RCBO ist, ist in der Regel aus Bandmaterial gewickelt (sogenannter Ringbandkern). Da diese Ringbandkerne ein äußerst sprödes Materialverhalten aufweisen, ist der Magnetkern zum Schutz vor Beschädigung sowie vor Umgebungseinflüssen in dem Wandlergehäuse, welches auch als Trog bezeichnet wird, aufgenommen und gehaltert. Das Wandlergehäuse ist daher rohr- oder torusförmig gehalten und zumeist zweiteilig ausgebildet. Die im Bereich der Öffnung ausgebildeten Stege dienen dazu, die durch die Öffnung hindurchgeführten Primärleiter voneinander beabstandet zu halten, um einen unmittelbaren Kontakt zu vermeiden und die Luft- und Kriechstrecken zu erhöhen.
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Die Anzahl der durch den Magnetkern hindurchzuführenden Primärleiter ist davon abhängig, ob es sich um einen zweipoligen, dreipoligen oder vierpoligen Fehlerstromschutzschalter handelt: bei einem zweipoligen Fehlerstromschutzschalter sind folglich zwei Primärleiter - einer zur Kontaktierung mit einem Neutralleiter, ein weiterer zur Kontaktierung mit einem Phasenleiter - vorzusehen; bei einem vierpoligen Fehlerstromschutzschalter sind es entsprechend vier Primärleiter: einer zur Kontaktierung mit dem Neutralleiter, drei weitere zur Kontaktierung mit jeweils einem Phasenleiter.
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Dabei werden die starren Primärleiter relativ zum Wandlergehäuse fixiert, so dass ihre Enden eine vordefinierte Position aufweisen. Unter dem Begriff „starr“ ist dabei zu verstehen, dass die Primärleiter eine Eigenstabilität aufweisen, so dass sie ihre Form behalten. Insbesondere die Enden der Primärleiter, welche in einem späteren Montageschritt mit einem jeweiligen Anschlusselement des Fehlerstromschutzschalters kontaktiert werden, weisen nach der Montage Summenstromwandlers im Fehlerstromschutzschalter eine jeweils vordefinierte Position - benachbart zu dem jeweils zugeordneten Anschlusselement - auf.
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Der Begriff „Prisma“ bezeichnet dabei einen geometrischen Körper mit beliebiger Grundfläche und in der Regel dazu orthogonaler Mantelfläche. Ist die Grundfläche ein Kreis, so ist das Prisma ein Zylinder; bei einer rechteckigen Grundfläche entsprechend ein Quader.
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Mit Hilfe eines additiven Fertigungsverfahrens für die Primärleiter kann die Querschnittsfläche eines jeden Primärleiters an die Querschnittsfläche des dem jeweiligen Primärleiter zugeordneten Aufnahmeraums auf einfache Art und Weise angepasst werden. Der Begriff des „Additiven Fertigungsverfahrens“ (engl. Additive Manufacturing) wird dabei als umfassende Bezeichnung für die bisher als „Rapid Prototyping“ bezeichneten Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Herstellung von Modellen, Mustern, Prototypen, etc. verwendet. Bei diesen Fertigungsverfahren erfolgt die Herstellung auf Basis rechnerinterner Datenmodelle des zu fertigenden Produkts aus formlosen (Flüssigkeiten, Pulver, etc.) oder formneutralen (band-, drahtförmig) Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse. Umgangssprachlich wird für den Begriff des „additiven Fertigungsverfahrens“ auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet. Diese Verfahren haben den generellen Vorteil, dass das zu fertigende Produkt als digitales Strukturmodell an die anwendungsspezifischen Gegebenheiten - beispielsweise die zu erwartende, mechanische oder elektrische Beanspruchung - angepasst werden kann. Auf diese Weise sind kompaktere Bauformen, welche den vorhandenen Platz optimal ausnutzen, realisierbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Summenstromwandlers sind die Querschnittsflächen der Aufnahmeräume aus Sektoren der kreisförmigen Öffnung gebildet.
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Üblicherweise weist das Wandlergehäuse eine rohrförmige Öffnung mit kreisförmigem Querschnitt auf. Unter dem Begriff „Sektor“ wird dabei ein Kreissektor, d.h. ein Teil der Kreisfläche, welche durch einen Kreisbogen sowie zwei Radien begrenzt ist, verstanden. Bei zwei Sektoren handelt es sich folglich um Halbkreise, bei vier Sektoren entsprechend um Viertelkreise, usw. Die Sektoren sind dabei durch die Stege voneinander getrennt, um die aufgenommenen Primärleiter voneinander beabstandet zu halten.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Summenstromwandlers sind die Stege an das Wandlergehäuse angeformt. Insbesondere bei Herstellung des Wandlergehäuses im (Kunststoff-) Spritzguss-Verfahren oder mittels eines additiven Fertigungsverfahrens können durch das Anformen der Stege an das Wandlergehäuse der Montageaufwand - und damit die Herstellkosten - reduziert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Summenstromwandlers ist die Querschnittsfläche zumindest eines der Primärleiter innerhalb der Öffnung eine andere als außerhalb der Öffnung. Hierunter ist zu verstehen, dass die Querschnittsfläche sowohl hinsichtlich der Größe des Flächenquerschnitts als auch hinsichtlich der Form/Gestalt abschnittsweise unterschiedlich ist. Auf diese Weise kann der Primärleiter an die anwendungsspezifischen Gegebenheiten, beispielsweise den zur Verfügung stehenden Bauraum oder die elektrischen Eigenschaften, angepasst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Summenstromwandlers sind mehrere Primärleiter mittels des additiven Fertigungsverfahrens gemeinsam herstellbar. Auf diese Weise können mehrere Primärleiter in einem Verfahren gemeinsam hergestellt werden, wodurch der Fertigungsaufwand weiter reduziert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Summenstromwandlers ist zumindest einer der Primärleiter aus zwei Teilen gefertigt. Die beiden Teile des Primärleiters werden anschließend in einem weiteren Montageschritt mittels eines geeigneten Fügeverfahrens, beispielsweise Löten, Hartlöten oder Schweißen, zusammengefügt. Durch die Teilung der Primärleiter wird deren Montage - das Hindurchführen durch die Öffnung des Wandlergehäuses - deutlich vereinfacht.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Summenstromwandlers sind die Primärleiter zumindest einmal um das Wandlergehäuse herumgewickelt. Dies bedeutet, dass jeder der Primärleiter zumindest zweimal durch den Magnetkern, und damit durch die Öffnung des Wandlergehäuses geführt ist und dementsprechend an der Außenseite des Summenstromwandlers zumindest einmal zurückgeführt werden muss. Durch die daraus resultierende höhere Windungszahl der Primärleiter ist auf der Sekundärseite des Summenstromwandlers ein höherer Sekundärstrom realisierbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Summenstromwandlers weist das Wandlergehäuse weitere Aufnahmeräume für außen am Wandlergehäuse geführte Primärleiterabschnitte auf, wobei die Querschnittsflächen der betreffenden Primärleiterabschnitte an die Querschnittsflächen der weiteren Aufnahmeräume angepasst sind. Die weiteren Aufnahmeraume dienen dabei dem Schutz der außen am Wandlergehäuse geführten Abschnitte der Primärleiter. Durch die daraus resultierende Führung der Primärleiter an der Außenseite des Wandlergehäuses sowie durch die Anpassung der Querschnittsflächen der betreffenden Primärleiterabschnitte an die Querschnittsflächen der weiteren Aufnahmeräume wird der knapp bemessene Bauraum besser ausgenutzt.
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Der erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter weist einen Summenstromwandler der vorstehend beschriebenen Art auf. Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters wird auf die vorstehenden Ausführungen zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Summenstromwandlers verwiesen.
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Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Summenstromwandlers unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
- 1 und 2 schematische Darstellungen eines erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Summenstromwandlers;
- 3 und 4 schematische Detaildarstellungen der Primärleiter des ersten Ausführungsbeispiels;
- 5 und 6 schematische Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Summenstromwandlers;
- 7 und 8 schematische Detaildarstellungen der Primärleiter des zweiten Ausführungsbeispiels.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen das entsprechende Teil ebenfalls zu erkennen ist.
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In den 1 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Summenstromwandlers 10 für einen zweipoligen Fehlerstromschutzschalter (nicht dargestellt), beispielsweise einen FI/LS bzw. RCBO, schematisch dargestellt. 1 zeigt dabei eine perspektivische Ansicht des montierten Summenstromwandlers 10. In 2 ist eine hierzu korrespondierende Schnittdarstellung des Summenstromwandlers 10 durch dessen Magnetkern 12 schematisch dargestellt. Der Summenstromwandler 10 weist ein im Wesentlichen quaderförmiges Wandlergehäuse 11 auf, in dem der rohrförmiger Magnetkern 12 aufgenommen und gehaltert ist. Das Wandlergehäuse 11 weist eine Öffnung auf, welche durch Stege 13 in vier prismenförmige Aufnahmeräume 15 mit viertelkreisförmiger Querschnittsfläche unterteilt ist und durch die ein erster Primärleiter 20 sowie ein zweiten Primärleiter 30 des Summenstromwandlers 10 geführt sind.
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Der erste Primärleiter 20 weist ein erstes Ende 21 sowie ein zweites Ende 22 auf, welche zur Kontaktierung mit je einem im Fehlerstromschutzschalter angeordneten, dem jeweiligen Primärleiterende 21, 22 eindeutig zugeordneten Kontaktelement (nicht dargestellt) vorgesehen sind. Erste Abschnitte 23 des ersten Primärleiters 20 sind dabei durch die zentrale Öffnung des Wandlergehäuses 11 geführt, wobei die ersten Abschnitte 23 einen viertelkreisförmigen Querschnitt aufweisen und durch einen der durch die Stege 13 gebildeten prismenförmigen Aufnahmeräume 15 geführt sind. Zweite Abschnitte 24 des ersten Primärleiters 20 sind an einer Außenseite des rohrförmigen Magnetkerns 12 entlanggeführt. Zum Schutz der dort geführten zweiten Primärleiterabschnitte 24 weist das Wandlergehäuse 11 weitere Aufnahmeräume 16 auf, in denen die zweiten Abschnitte 24 geführt sind. Über zwei stirnseitige Verbindungsabschnitte 25 ist jeweils einer der beiden ersten Abschnitte 23 mit einem der beiden zweiten Abschnitt 24 elektrisch leitend verbunden.
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Entsprechend weist der zweite Primärleiter 30 ein erstes Ende 31 sowie ein (aufgrund der perspektivischen Darstellung nicht dargestelltes) zweites Ende auf, welche ebenfalls zur Kontaktierung mit im Fehlerstromschutzschalter angeordneten, dem jeweiligen Primärleiterende eindeutig zugeordneten Kontaktelementen vorgesehen sind. Erste Abschnitte 33 des zweiten Primärleiters 30 weisen ebenfalls einen viertelkreisförmigen Querschnitt auf und sind wiederum durch die zentrale Öffnung des Wandlergehäuses 11, genauer: durch je einen der durch die Stege 13 gebildeten prismenförmigen Aufnahmeräume 15 geführt. Zweite Abschnitte 34 des zweiten Primärleiters 30 sind wiederum an der Außenseite des rohrförmigen Magnetkerns 12 in ihnen zugeordneten weiteren Aufnahmeräumen 16 entlanggeführt. Über zwei stirnseitige Verbindungsabschnitte 35 ist wiederum jeweils einer der beiden ersten Abschnitte 33 mit einem der beiden zweiten Abschnitt 34 elektrisch leitend verbunden.
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Beim Blick auf 2 wird dabei deutlich, dass auch die zweiten Aufnahmeräume 16 sowie die zweiten Abschnitte 24, 34 eine prismenförmige Gestalt aufweisen. Die zweiten Aufnahmeräume 24, 34 sind dabei in den Eckbereichen des im Wesentlichen quaderförmigen Wandlergehäuses 12 angeordnet, um den knapp bemessenen Bauraum optimal auszunutzen.
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Die 3 und 4 zeigen Detaildarstellungen der additiv gefertigten, starren Primärleiter 20 und 30 des in den 1 und 2 dargestellten und vorstehend beschriebenen Summenstromwandlers 10 für einen zweipoligen Fehlerstromschutzschalter.
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4 zeigt dabei eine erste Baugruppe 60 der Primärleiter 20 und 30, welche die in die Aufnahmeräume 15 einzuführenden ersten Primärleiterabschnitte 23 und 33, die in die weiteren Aufnahmeräume 16 einzuführenden zweiten Primärleiterabschnitte 24 und 34 sowie die ersten und zweiten Enden 21, 22 und 31 der beiden Primärleiter 20 und 30 beinhaltet. Für die Herstellung der ersten Baugruppe 60 mit Hilfe eines additiven Fertigungsverfahrens wird eine erste Stützstruktur 61 verwendet, welche mehrere Stützelemente 62 zur mechanischen Abstützung der Primärleiter 20 und 30 aufweist. Die Stützelemente 62 sind hierzu an mehreren Stellen mit den verschiedenen Abschnitten/Bereichen der Primärleiter 20 und 30 über vordefinierte Sollbruchstellen 63 mechanisch verbunden.
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In 3 ist eine zur ersten Baugruppe 60 geometrisch korrespondierende zweite Baugruppe 70 der Primärleiter 20 und 30 schematisch dargestellt, welche im Wesentlichen die Verbindungsabschnitte 25 und 35 der beiden Primärleiter 20 und 30 umfasst. Die zweite Baugruppe 70 weist eine zweite Stützstruktur 71 mit mehreren Stützelemente 72 zur mechanischen Abstützung der Verbindungsabschnitte 25 und 35 auf, wobei die Stützelemente 72 wiederum über vordefinierte Sollbruchstellen 73 mit den Verbindungsabschnitten 25 und 35 mechanisch verbunden sind.
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Mit Hilfe der Stützstruktur 61 ist während der Herstellung der ersten Baugruppe 60 mit Hilfe eines additiven Fertigungsverfahrens sowie während des Einführens der ersten Baugruppe 60 in das Wandlergehäuse 11 die erforderliche Stabilität der ersten Baugruppe 60 gewährleistet. Gleiches gilt für Stützstruktur 71 hinsichtlich der Stabilität der zweiten Baugruppe 70. Nach der Montage der beiden Baugruppen 60 und 70, bei der die die erste Baugruppe 60 mit der zweite Baugruppe 70 - beispielsweise durch Laserschweißen - mechanisch sowie elektrisch leitend verbunden wird, werden die erste Stützstruktur 61 sowie die zweite Stützstruktur 71 durch Trennen an den vordefinierten Sollbruchstellen 63 und 73 entfernt.
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In den 5 bis 8 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Summenstromwandlers 10' für einen vierpoligen Fehlerstromschutzschalter (nicht dargestellt) schematisch dargestellt. Da es sich bei der Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel zumeist um entsprechende, aber nicht identische Bauteile handelt, sind die betreffenden Bezugszeichen mit einem Apostroph versehen.
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5 zeigt dabei wiederum eine perspektivische Ansicht des montierten Summenstromwandlers 10'. In 6 ist eine hierzu korrespondierende Schnittdarstellung des Summenstromwandlers 10' durch den Magnetkern 12' schematisch dargestellt. Auch der Summenstromwandler 10' weist ein im Wesentlichen quaderförmiges Wandlergehäuse 11' auf, in dem der rohrförmiger Magnetkern 12' aufgenommen und gehaltert ist. Da es sich um einen Summenstromwandlers 10' für einen vierpoligen Fehlerstromschutzschalter handelt, müssen vier Primärleiter - ein erster Primärleiter 20', ein zweiter Primärleiter 30', ein dritter Primärleiter 40'sowie ein vierter Primärleiter 50' durch die Öffnung des Wandlergehäuses 11' hindurchgeführt werden. Die Öffnung ist hierzu wiederum durch Stege 13' in acht prismenförmige Aufnahmeräume 15' für die vier Primärleiter 20', 30', 40' und 50' unterteilt, welche jeweils die Grundfläche eines 45°-Kreissektors (Achtelkreis) aufweisen.
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Der erste Primärleiter 20' weist ein erstes Ende 21' sowie ein zweites Ende 22' auf, welche zur Kontaktierung mit je einem im Fehlerstromschutzschalter angeordneten, dem jeweiligen Primärleiterende 21', 22' eindeutig zugeordneten Kontaktelement (nicht dargestellt) vorgesehen sind. Erste Abschnitte 23' des ersten Primärleiters 20' sind dabei durch die zentrale Öffnung des Wandlergehäuses 11' geführt, wobei die ersten Abschnitte 23' einen achtelkreisförmigen Querschnitt (sogenannter 45°-Sektor) aufweisen und durch einen der durch die Stege 13' gebildeten prismenförmigen Aufnahmeräume 15' geführt sind. Zweite Abschnitte 24' des ersten Primärleiters 20' sind an einer Außenseite des rohrförmigen Magnetkerns 12' entlanggeführt. Zum Schutz der dort geführten zweiten Primärleiterabschnitte 24' weist das Wandlergehäuse 11' weitere Aufnahmeräume 16' auf, in denen die zweiten Abschnitte 24' geführt sind.
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Der zweite Primärleiter 30' weist ein erstes Ende 31' sowie ein zweites Ende 32' auf, welche ebenfalls zur Kontaktierung mit im Fehlerstromschutzschalter angeordneten, dem jeweiligen Primärleiterende eindeutig zugeordneten Kontaktelementen vorgesehen sind. Erste Abschnitte 33' des zweiten Primärleiters 30' weisen ebenfalls einen achtelkreisförmigen Querschnitt auf und sind wiederum durch die zentrale Öffnung des Wandlergehäuses 11', genauer: durch je einen der durch die Stege 13' gebildeten prismenförmigen Aufnahmeräume 15' geführt. Zweite Abschnitte 34' des zweiten Primärleiters 30' sind wiederum an der Außenseite des rohrförmigen Magnetkerns 12' in ihnen zugeordneten weiteren Aufnahmeräumen 16' entlanggeführt.
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Der dritte Primärleiter 40' weist ein erstes Ende 41' sowie ein zweites Ende 42' auf, welche wiederum zur Kontaktierung mit im Fehlerstromschutzschalter angeordneten, dem jeweiligen Primärleiterende eindeutig zugeordneten Kontaktelementen vorgesehen sind. Erste Abschnitte 43' des dritten Primärleiters 40' weisen ebenfalls einen achtelkreisförmigen Querschnitt auf und sind wiederum durch die zentrale Öffnung des Wandlergehäuses 11', genauer: durch je einen der durch die Stege 13' gebildeten prismenförmigen Aufnahmeräume 15' geführt. Zweite Abschnitte 44' des dritten Primärleiters 40' sind wiederum an der Außenseite des rohrförmigen Magnetkerns 12' entlanggeführt, wobei nur einer der ersten Abschnitte 44' in einem ihm zugeordneten weiteren Aufnahmerum 16' angeordnet ist, während der andere Abschnitt 44' freiliegend an einer gegenüberliegenden Seite des Wandlergehäuses 11' entlanggeführt ist.
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Der vierte Primärleiter 50' weist ein erstes Ende 51' sowie ein zweites Ende 52' auf, welche wiederum zur Kontaktierung mit im Fehlerstromschutzschalter angeordneten, dem jeweiligen Primärleiterende eindeutig zugeordneten Kontaktelementen vorgesehen sind. Erste Abschnitte 53' des vierten Primärleiters 50' weisen einen achtelkreisförmigen Querschnitt auf und sind durch je einen der durch die Stege 13' gebildeten prismenförmigen Aufnahmeräume 15' der zentralen Öffnung des Wandlergehäuses 11' geführt. Zweite Abschnitte 54' des vierten Primärleiters 50' sind wiederum an der Außenseite des rohrförmigen Magnetkerns 12' in ihnen zugeordneten weiteren Aufnahmeräumen 16' entlanggeführt.
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Die 7 und 8 zeigen wiederum Detaildarstellungen der additiv gefertigten, starren Primärleiter 20', 30', 40'und 50' des in den 5 und 6 dargestellten und vorstehend beschriebenen Summenstromwandlers 10' für einen vierpoligen Fehlerstromschutzschalter.
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8 zeigt dabei eine erste Baugruppe 60 der Primärleiter 20'', 30', 40' und 50', welche die in die Aufnahmeräume 15' einzuführenden ersten Primärleiterabschnitte 23', 33', 43' und 53', die in die weiteren Aufnahmeräume 16' einzuführenden zweiten Primärleiterabschnitte 24', 34', 44' und 54', die ersten und zweiten Enden 21', 22', 31' und 32' des ersten und zweiten Primärleiters 20' und 30' sowie das zweite Ende 42' des dritten Primärleiters 40' beinhaltet. Für die Herstellung der ersten Baugruppe 60' mit Hilfe eines additiven Fertigungsverfahrens wird wiederum eine erste Stützstruktur 61' verwendet, welche mehrere Stützelemente 62' zur mechanischen Abstützung der Primärleiter 20', 30', 40' und 50' aufweist. Die Stützelemente 62' sind hierzu wiederum an mehreren Stellen mit den verschiedenen Abschnitten/Bereichen der Primärleiter 20', 30', 40' und 50' über vordefinierte Sollbruchstellen 63' mechanisch verbunden.
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In 7 ist wiederum eine zur ersten Baugruppe 60' geometrisch korrespondierende zweite Baugruppe 70' der Primärleiter 20', 30', 40' und 50' schematisch dargestellt, welche im Wesentlichen Verbindungsabschnitte 25', 35', 45' und 55' der vier Primärleiter 20', 30', 40' und 50', das erste Ende 41' des dritten Primärleiters 40' sowie die ersten und zweiten Enden 51' und 52' des vierten Primärleiters 50 umfasst. Die zweite Baugruppe 70' weist wiederum eine zweite Stützstruktur 71' mit mehreren Stützelemente 72' zur mechanischen Abstützung der Verbindungsabschnitte 25', 35', 45' und 55' auf, wobei die Stützelemente 72' wiederum über vordefinierte Sollbruchstellen 73' mit den Verbindungsabschnitten 25', 35', 45' und 55' mechanisch verbunden sind.
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Mit Hilfe der Stützstruktur 61' ist während der Herstellung der ersten Baugruppe 60' mit Hilfe eines additiven Fertigungsverfahrens sowie während des Einführens der ersten Baugruppe 60' in das Wandlergehäuse 11' die erforderliche Stabilität der ersten Baugruppe 60' gewährleistet. Gleiches gilt für Stützstruktur 71' hinsichtlich der Stabilität der zweiten Baugruppe 70'. Nach der Montage der beiden Baugruppen 60' und 70', bei der die die erste Baugruppe 60' mit der zweite Baugruppe 70' - beispielsweise durch Laserschweißen - mechanisch sowie elektrisch leitend verbunden wird, werden die erste Stützstruktur 61' sowie die zweite Stützstruktur 71' durch Trennen an den vordefinierten Sollbruchstellen 63' und 73' entfernt.
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Durch die Herstellung der ersten und zweiten Baugruppen 60, 60', 70, 70' mittels Additiver Fertigung ergeben sich neue Möglichkeiten beim Design: so können die Primärleiter 20, 20', 30, 30', 40' und 50' ideal an die Platzverhältnisse angepasst werden, ohne auf die runde Struktur eines Drahtes Rücksicht nehmen zu müssen. Die Platzaufteilung speziell im Inneren des Wandlergehäuses 11, 11' erfolgt dabei unter Ausnutzung der gesamten zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche als im Kreis angeordnete, sektorförmige Leitungsstücke, d.h. vier 90°-Sektoren bei zweipoligen, acht 45°-Sektoren bei vierpoligen Summenstromwandlern bzw. Fehlerstromschutzschaltern.
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Darüber hinaus lassen sich durch die additive Fertigung der Primärleiter 20, 20', 30, 30', 40' und 50' beliebig komplexe Strukturen erzeugen. Beispielsweise können die Primärleiter 20, 20', 30, 30', 40' und 50' abschnittsweise unterschiedlich dicke Querschnitte aufweisen. Besonders außerhalb des Summenstromwandlers 10, 10' sind größere Querschnittsflächen möglich als im Inneren. Dort wo ausreichend Platz vorhanden ist, beispielsweise an der Außenseite oder den Stirnseiten, können die Querschnittsflächen deutlich größer dimensioniert werden.
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Im Bereich des Summenstromwandlers liegt bei vielen Fehlerstromschutzschaltern eine hohe Varianz vor, da verschiedene Gerätereihen (verschiedene Nennströme, Nennfehlerströme, Auslösecharakteristiken, usw.) oft durch verschiedene Auslösekreise, also letztlich durch unterschiedliche Kombinationen aus Summenstromwandlern und Haltemagneten, erzeugt werden. Gerade bei exotischen Geräten ist die Stückzahl einiger Varianten recht klein. Bei herkömmlicher Bauweise - d.h. bei mit Draht bewickelten Summenstromwandlern - sind aber für jede Variante eigene Bewickel- und Biegevorrichtungen notwendig. Durch den Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens lassen sich vor allem die exotischen Varianten (meist höhere Stromstärken mit niedriger Stückzahl) in großer Varianz ohne eigene Vorrichtungen fertigen.
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Weiterhin müssen beim Bewickeln der Summenstromwandler mit Primärleiterdraht die dabei auftretenden hohen Kräfte vom Summenstromwandler aufgenommen werden. Da Bandkernmaterial druckempfindlich ist und schon bei leichter Beanspruchung seine magnetischen Eigenschaften ändert, muss der Bandkern daher mit einer stabilen Schottung aus Kunststoff geschützt werden. Bei additiv gefertigten Primärleitern kann die Schottung hingegen entsprechend dünnwandig konstruiert werden, da bei der Montage der Primärleiter keine mechanische Belastung auf den Summenstromwandler wirkt.
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Für die weiteren Prozessschritte wie Schweißen oder Löten müssen sich die Enden der bewickelten Primärleiter präzise in der vorgesehenen Position befinden, was bei der herkömmlichen Wickeltechnik teilweise schwierig zu realisieren ist. Durch die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens ist die präzise Positionierung der Primärleiterenden zur Kontaktierung mit den Kontaktelementen des Fehlerstromschutzschalters vergleichsweise einfach zu realisieren.
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Durch die Ausbildung der ersten Primärleiterabschnitte 23, 23', 33, 33', 43' und 53' als sektorförmige Leitungsstücke wird der gesamte Platz im Inneren des Summenstromwandlers 10, 10' optimal ausgenutzt. Dadurch können bei gleichem Bauraum des Summenstromwandlers 10, 10' dickere Querschnitte am, aber vor allem im Summenstromwandler realisiert werden. Verglichen mit runden (Draht-)Primärleitern ist eine Erhöhung der Querschnittsfläche um bis zu 50% im Inneren des Summenstromwandlers 10, 10' möglich, nur unter Ausnutzung des ansonsten verschwendeten Bauraums. Der größere Querschnitt führt zu einem geringeren Leitungswiderstand und damit zu einer insgesamt geringeren Erwärmung, wodurch größere Nennstromstärken (Beispielsweise 40A statt 32A) und/oder eine geringere Baugröße, welche bei zukünftigen, hochintegrierte Fehlerstromschutzschaltgeräten mit weiteren Einzelfunktionen wie AFDD-Funktionalität, Mess- und/oder Kommunikationsfunktionen) erforderlich werden könnte, realisierbar sind.
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Durch die Verwendung unterschiedlich dicker Primärleiterquerschnitte innerhalb und außerhalb des Summenstromwandlers 10, 10' lässt sich die Erwärmungsproblematik weiter entschärfen. Dies trägt ebenfalls zur Miniaturisierung bzw. zu einer möglichen Erhöhung der Nennstromstärke bei gleichem Bauraum bei. Da Kupfer außerdem ein guter Wärmeleiter ist, wird der Summenstromwandler 10, 10' durch den größeren Kupferquerschnitt der Primärleiter nicht nur weniger ohmsch erwärmt, sondern durch eine bessere Wärmeleitung auch besser entwärmt, was zu den oben genannten Vorteilen entsprechend beiträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Summenstromwandler
- 11, 11'
- Wandlergehäuse
- 12, 12'
- Magnetkern
- 13, 13'
- Steg
- 15, 15'
- Aufnahmeraum
- 16, 16'
- weiterer Aufnahmeraum
- 20, 20'
- erster Primärleiter
- 21, 21'
- erstes Ende
- 22, 22'
- zweites Ende
- 23, 23'
- erster Abschnitt
- 24, 24'
- zweiter Abschnitt
- 25, 25'
- Verbindungsabschnitt
- 30, 32'
- zweiter Primärleiter
- 31, 33'
- erstes Ende
- 32'
- zweites Ende
- 33, 33'
- erster Abschnitt
- 34, 34'
- zweiter Abschnitt
- 35, 35'
- Verbindungsabschnitt
- 40'
- dritter Primärleiter
- 41'
- erstes Ende
- 42'
- zweites Ende
- 43'
- erster Abschnitt
- 44'
- zweiter Abschnitt
- 45'
- Verbindungsabschnitt
- 50'
- vierter Primärleiter
- 51'
- erstes Ende
- 52'
- zweites Ende
- 53'
- erster Abschnitt
- 54'
- zweiter Abschnitt
- 55'
- Verbindungsabschnitt
- 60, 60'
- erste Baugruppe
- 61, 61'
- erste Stützstruktur
- 62, 62'
- Stützelement
- 63, 63'
- Sollbruchstelle
- 70, 70'
- zweite Baugruppe
- 71, 71'
- Skelett
- 72, 72'
- Stützelement
- 73, 73'
- Sollbruchstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015217704 A1 [0003]
- EP 2980822 A1 [0003]
- DE 102015213375 A1 [0003]
- DE 102013211539 A1 [0003]
- EP 2685482 B1 [0003]
- DE 102004034859 A1 [0005]
- EP 1191562 B1 [0005]
- EP 1473750 A1 [0005]
