WO2022136078A1 - Schutzschaltgerät und verfahren - Google Patents

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WO2022136078A1
WO2022136078A1 PCT/EP2021/086047 EP2021086047W WO2022136078A1 WO 2022136078 A1 WO2022136078 A1 WO 2022136078A1 EP 2021086047 W EP2021086047 W EP 2021086047W WO 2022136078 A1 WO2022136078 A1 WO 2022136078A1
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voltage
current change
low
instantaneous
values
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PCT/EP2021/086047
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Fabian Döbler
Marvin TANNHÄUSER
Christopher Fromme
Dominic Malane
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to US18/258,602 priority patent/US20240047961A1/en
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/44—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to the rate of change of electrical quantities
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H3/006—Calibration or setting of parameters

Definitions

  • the invention relates to the technical field of a protective switching device for a low-voltage circuit with an electronic interruption unit and a method for a protective switching device for a low-voltage circuit with an electronic interruption unit.
  • Low voltage means voltages of up to 1000 volts AC or up to 1500 volts DC.
  • Low voltage means, in particular, voltages that are greater than extra-low voltage, with values of 50 volts AC or 120 volts DC.
  • Low-voltage circuits or networks or systems mean circuits with rated currents or rated currents of up to 125 amperes, more specifically up to 63 amperes.
  • Low-voltage circuits mean, in particular, circuits with rated currents or rated currents of up to 50 amperes, 40 amperes, 32 amperes, 25 amperes, 16 amperes or 10 amperes.
  • the current values mentioned refer in particular to nominal, rated and/or cut-off currents, i.e. the maximum current that is normally carried through the circuit or at which the electrical circuit is usually interrupted, for example by a protective device such as a protective switching device , miniature circuit breakers or circuit breakers.
  • Miniature circuit breakers have long been known overcurrent protection devices that are used in electrical installation technology in low-voltage circuits. These protect lines from damage caused by heating due to excessive current and/or short circuits.
  • a miniature circuit breaker can switch off the circuit automatically in the event of an overload and/or short circuit.
  • a miniature circuit breaker is a safety element that cannot be reset automatically.
  • circuit breakers are intended for currents greater than 125 A, sometimes even from 63 amperes. Miniature circuit breakers are therefore simpler and more delicate in design.
  • Miniature circuit breakers usually have a mounting option for mounting on a so-called top-hat rail (mounting rail, DIN rail, TH35).
  • Miniature circuit breakers have an electromechanical design. In a housing, they have a mechanical switch contact or shunt trip for interrupting (tripping) the electrical current.
  • a bimetallic protective element or bimetallic element is usually used for tripping (interruption) in the event of a prolonged overcurrent (overcurrent protection) or thermal overload (overload protection).
  • An electromagnetic release with a coil is used for brief release when an overcurrent limit value is exceeded or in the event of a short circuit (short circuit protection).
  • One or more arc quenching chamber(s) or devices for arc quenching are provided. Furthermore, connection elements for conductors of the electrical circuit to be protected.
  • Protective switching devices with an electronic interrupting unit are relatively new developments. These have a semiconductor-based electronic interruption unit. This means that the electrical current flow of the low-voltage circuit is routed via semiconductor components or semiconductor switches, which interrupt the electrical current flow or can be switched to be conductive.
  • Protective switching devices with an electronic interruption unit also often have a mechanical isolating contact system, in particular with isolating properties in accordance with the relevant standards for low-voltage circuits, with the contacts of the mechanical isolating contact system being connected in series with the electronic interruption unit, i.e. the current of the low-voltage circuit to be protected is mechanical isolating contact system and via the electronic interrupting unit.
  • the switching energy does not have to be converted into an arc as with a mechanical switching device, but rather into heat by means of an additional circuit, the energy absorber.
  • the breaking energy includes the energy stored in the circuit, i.e. in the network, line and load impedances (consumer impedances).
  • the current that flows when it is switched off must be as low as possible. This also applies in the event of a short circuit. Here the current rises very quickly.
  • Fast short-circuit detection means that a short-circuit can be detected early and a short-circuit current that is too high can be avoided.
  • the semiconductor-based protective switching device interrupts the circuit almost instantaneously, within ps, in the sense of a switch-off process. There are no high currents and the load on the energy absorber of a semiconductor-based protective switching device is reduced.
  • Known short-circuit detection and switch-off criteria are usually based on determining and evaluating the actual current value.
  • the present invention relates to low voltage AC circuits, with an AC voltage, usually with a time-dependent sinusoidal AC voltage with the frequency f, typically 50 or 60 Hertz (Hz).
  • a time-dependent sinusoidal AC voltage with the frequency f, typically 50 or 60 Hertz (Hz).
  • f typically 50 or 60 Hertz (Hz).
  • u(t) U*sin(2 ⁇ *f*t).
  • u(t) instantaneous voltage value at time t
  • a harmonic AC voltage can be represented by the rotation of a pointer whose length corresponds to the amplitude (U) of the voltage.
  • the instantaneous deflection is the projection of the pointer onto a coordinate system.
  • An oscillation period corresponds to a full rotation of the pointer and its full angle is 2n (2Pi) or 360°.
  • the angular frequency is the rate of change of the phase angle of this rotating phasor.
  • the time-dependent value from the angular velocity ⁇ and the time t corresponds to the time-dependent angle ⁇ (t), which is also referred to as the phase angle ⁇ (t).
  • the phase angle ⁇ (t) periodically runs through the range 0...2n or 0°...360°.
  • the object of the present invention is to improve a protective switching device of the type mentioned at the outset, in particular to show a quick and alternative way of detecting short circuits, and more specifically to achieve short and approximately constant tripping times and to ensure reliable interruption.
  • an (electronic) protective switching device for protecting an electrical low-voltage circuit, in particular a low-voltage alternating current circuit, having:
  • a current sensor for determining the magnitude of the current in the low-voltage circuit, such that instantaneous (phase angle-related) current values are available
  • an electronic interruption unit which has a high-impedance state of the switching elements for interruption and a low-impedance state of the switching elements for current flow in the low-voltage circuit due to semiconductor-based switching elements
  • control unit which is connected to the voltage sensor, the current sensor and the interrupting unit such that the protective switching device is designed in such a way that
  • the electronic interruption unit changes from the low-impedance state to the high-impedance state to interrupt the low-voltage circuit, wherein this process has a triggering time from the short-circuit event to the high-impedance state, such that the triggering time is less than a first temporal threshold value.
  • the aim of the invention is to achieve a tripping time that is fast and largely constant over the period of the AC voltage, i.e. below a first temporal threshold value.
  • the tripping time is independent of the phase angle of the voltage, so that approximately the same tripping times are achieved when the instantaneous voltage is low and when the instantaneous voltage is high.
  • the tripping time is approximately constant over a full period of the voltage.
  • one, in particular a single, setting element is provided on the protective switching device, with which a limit value for the current rise can be set in order to set the limit value for short-circuit detection.
  • the limit value for the current increase is dependent on the line-side Connection of the protective switching device connected part of the low-voltage circuit set.
  • the change in the current over time is determined from the instantaneous current values, so that instantaneous current change values are available.
  • the instantaneous current change values are compared with the instantaneous current change threshold values in a phase-related manner. If the momentary current change threshold value is exceeded, an interruption of the low-voltage circuit is initiated.
  • the (periodic) instantaneous current change threshold values have a minimum value that is greater than zero.
  • this minimum value is in the range from 5 to 20% of the maximum value, ie the maximum current change threshold value.
  • the low-voltage alternating current circuit has a voltage profile that is sinusoidal over time (ideal case).
  • the instantaneous current change threshold values likewise have a sinusoidal course of the current change over time, in particular in terms of absolute value.
  • the zero crossing or the range of the zero crossing has a (absolute) minimum value which is greater than zero, in particular greater than 0.2 A/ps.
  • the voltage and current change threshold values over time are phase-synchronized in such a way that the point in time of the amplitude (maximum value) of the voltage corresponds to the point in time of the amplitude (maximum value) of the current change threshold value.
  • the area of the zero crossing of the voltage corresponds to the area of the minimum value of the current change threshold value.
  • the current change threshold value must be exceeded for a first period of time in order to initiate an interruption of the low-voltage circuit.
  • the protective switching device is designed in such a way that the control unit has an analog first subunit and a digital second subunit.
  • the first sub-unit has a current comparator, to which the instantaneous current change values and the instantaneous Current change threshold values, the latter in particular from the second sub-unit (SED), are supplied.
  • the current change threshold values are provided by the second sub-unit in a phase-related manner according to the time profile of the voltage. This enables a phase-related comparison of the instantaneous current change values with the instantaneous current change threshold values based on the voltage curve over time. With which an interruption of the low-voltage circuit can be initiated if the current change threshold values are exceeded.
  • the protective switching device is designed in such a way that a mains synchronization unit is provided. This determines at least one phase angle ( ⁇ (t)) of the voltage and alternatively the amplitude (U) of the voltage from the instantaneous voltage values supplied.
  • a threshold value unit is provided, which is connected to the grid synchronization unit and, if necessary, to the setting element, so that instantaneous Current change threshold values are determined. The instantaneous current change values are compared phase-related with the instantaneous current change threshold values to determine the initiation of an interruption.
  • a mechanical isolating contact system which is connected in series with the electronic interruption unit on the circuit side, so that a galvanic isolation can be switched in the low-voltage circuit.
  • the mechanical isolating contact system is connected to the control unit.
  • a galvanic interruption is also initiated by the mechanical isolating contact system.
  • a galvanic isolation is initiated when the electronic interrupter unit has a high resistance or is switched to a high resistance and a current in the low-voltage circuit exceeds a first current threshold value.
  • the instantaneous current change values are compared with instantaneous current change threshold values to detect a short circuit in the low-voltage circuit and if the current change threshold values are exceeded, an electronic interrupting unit is switched from the low-impedance state to the high-impedance state to interrupt the Switch low-voltage circuit, this process having a tripping time from the short-circuit event to the high-impedance state.
  • the triggering time is less than a first temporal threshold value.
  • the instantaneous current change values are compared phase-related with the instantaneous current change threshold values, with the instantaneous current change threshold values being synchronized with the time curve of the instantaneous voltage values, so that when the instantaneous voltage is low, small instantaneous current change threshold values and when the instantaneous voltage is high Voltage high current change thresholds are present, so that the tripping time is largely independent of the phase angle of the voltage or so that the tripping time is below the first temporal threshold.
  • the instantaneous current change threshold values have a minimum value that is greater than zero, in particular greater than 5 to 20% of the maximum value.
  • the instantaneous current change threshold values have a temporal, in particular amount-related, sinusoidal current change profile with a minimum value that is greater than zero.
  • the time curves of voltage and current change threshold values are phase-related such that the point in time of the amplitude of the voltage corresponds to the point in time of the amplitude of the current change threshold value.
  • FIG. 1 shows a protective switching device
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the protective switching device
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the protective switching device
  • Figure 1 shows a representation of a protective switching device SG for protecting an electrical low-voltage circuit with a housing GEH, having:
  • connections for conductors of the low-voltage circuit in particular first connections LI, NI for a network-side, in particular energy-source-side, connection EQ of the protective switching device SG and second connections L2, N2 for a load-side, in particular energy-sink-side - in the case of live loads, connection ES (consumer-side connection) of the protective switching device SG, it being possible for connections LI, L2 on the phase conductor side and connections NI, N2 on the neutral conductor side to be specifically provided;
  • the load-side connection can have a passive load (consumer) and/or an active load ((further) energy source, or a load that can be both passive and active, for example in a chronological sequence;
  • a voltage sensor SU for determining the magnitude of the voltage in the low-voltage circuit, so that instantaneous voltage values (phase-related voltage values) DU are available,
  • a current sensor SI for determining the level of the current of the low-voltage circuit, such that instantaneous (phase-angle-related) current values are present.
  • the current sensor SI can be designed in such a way that the change in the current over time is determined from the instantaneous current values so that instantaneous current change values DI are available, alternatively this can be done in a separate unit or a control unit SE (described below),
  • an electronic interruption unit EU which has a high-impedance state of the switching elements for interruption and a low-impedance state of the switching elements for current flow in the low-voltage circuit due to semiconductor-based switching elements
  • control unit SE which is connected to the voltage sensor, the current sensor SI and the electronic interruption unit EU; the control unit SE can:
  • microprocessor can also contain an analog part;
  • the protective switching device SG in particular the control unit SE, is designed in such a way that when a short circuit, in particular on the load side (ES), is detected, the electronic interruption unit EU changes from the low-impedance state to the high-impedance state to interrupt the low-voltage circuit, with this process has a tripping time from the short-circuit event to the high-impedance state.
  • the triggering time is less than a first temporal threshold value.
  • the first threshold value is less than 1 ms, more specifically less than 200 ps, in particular less than 100 ps.
  • the aim of the invention is that the tripping time over a full period of the voltage does not exceed 1 ms or 200 ps/100 ps.
  • the first temporal threshold value mentioned represents a maximum time for slow faults, i.e. if the driving voltage is still low, e.g. 50 volts, the current change value (in the event of a fault) is therefore also small (in the case of line-side inductance/loop inductance/energy source with lines for short-circuiting of 100 pH), e.g. 0.5 A/ps.
  • the tripping time is short, in particular (largely) independent of the phase angle of the voltage, so that approximately the same tripping times are achieved when the instantaneous voltage is low and when the instantaneous voltage is high.
  • this is achieved, for example, in that there are (periodic) instantaneous current change threshold values dependent on the (periodic) time profile of the level of the voltage or the determined instantaneous voltage values.
  • the instantaneous current change threshold values can be continuous or phase-angle wise.
  • the instantaneous current change threshold values can be present for each individual phase angle, a phase angle range (several phase angles), e.g. every 2°, or a phase angle section (part of a phase angle), e.g. every 0.5° or 0.1°.
  • a resolution of 1° to 5° is particularly advantageous (this corresponds to a sampling rate of 3.5 to 20 kHz).
  • the instantaneous current change values are compared phase-related with the instantaneous current change threshold values. at If the instantaneous current change threshold value is exceeded, the low-voltage circuit is interrupted, for example by a first interrupt signal TRIP from the control unit SE to the electronic interrupter unit EU, as shown in FIG.
  • the electronic interruption unit EU is shown in FIG. 1 as a block in both conductors.
  • At least one conductor, in particular the active conductor or phase conductor, has semiconductor-based switching elements.
  • the neutral conductor can be free of switching elements, i.e. without semiconductor-based switching elements. I.e. the neutral conductor is directly connected, i.e. it does not become highly resistive. I.e. there is only a single-pole interruption (of the phase conductor). If additional active conductors/phase conductors are provided, the phase conductors have semiconductor-based switching elements in a second variant of the electronic interruption unit EU.
  • the neutral conductor is connected directly, i.e. it does not become highly resistive. For example for a three-phase AC circuit.
  • the neutral conductor can also have a semiconductor-based switching element, i.e. when the electronic interruption unit EU is interrupted, both conductors become highly resistive.
  • the electronic interruption unit EU can have semiconductor components such as bipolar transistors, field effect transistors (FET), isolated gate bipolar transistors (IGBT), metal oxide layer field effect transistors (MOSFET) or other (self-commutated) power semiconductors.
  • IGBTs and MOSFETs in particular are particularly well suited for the protective switching device according to the invention due to low flow resistances, high junction resistances and good switching behavior.
  • a current sensor SI can also be provided for determining the magnitude of the current in the low-voltage circuit, so that current values DI are present, as shown in the example according to FIG. The current sensor SI is then connected to the control unit SE.
  • the protective switching device SG can preferably also have a mechanical isolating contact system MK, in particular in accordance with the standard with standard-compliant isolating properties, for galvanic isolation of the circuit, in particular for standard-compliant isolating (as opposed to shutting down) the circuit.
  • the mechanical isolating contact system MK can be connected to the control unit SE, as shown in FIG. 1, so that the control unit SE can initiate a galvanic isolation of the circuit.
  • overcurrent detection can be provided, for example in the control unit SE, which detects overcurrents, i.e. when current time limit values are exceeded, i.e. when a current that exceeds a current limit value is present for a specific time, i.e. for example a specific Energy threshold exceeded, a semiconductor-based and/or galvanic interruption of the circuit occurs.
  • a galvanic isolation can also be initiated, for example, when a short circuit is detected.
  • the galvanic interruption of the low-voltage circuit is initiated, for example, by a further second interruption signal TRIPG, which is sent from the control unit SE to the mechanical isolating contact system MK, as shown in FIG.
  • the first current threshold value can be of the order of 4 to 6 mA, in particular 5 mA or 6 mA.
  • the first current threshold value can be in the range of 25 mA to 32 mA, in particular 28 mA, 29 mA or 30 mA, in particular for personal protection in Europe.
  • the third threshold value can be in the range of 290 mA to 300 mA, in particular for fire protection.
  • an interruption of the low-voltage circuit can be initiated, in particular by the mechanical isolating contact system, when a current level is determined that exceeds a second current threshold value.
  • the second current threshold value corresponds, for example, to the standard current (time) limit values, i.e. the I (t) characteristics for protective devices, for example according to the IEC 60947 or IEC 60898 standard the specialist according to the present use / application.
  • the low-voltage circuit when an interruption of the low-voltage circuit is initiated by means of the electronic interruption unit and a current flow in the low-voltage circuit that exceeds a third current threshold value and lasts for a second period of time, can be interrupted be initiated by the mechanical isolating contact system in order, for example, to bring about an interruption by the mechanical isolating contact system in the event of a failed high resistance of the electronic interruption unit and thus a failed interruption of the low-voltage circuit. In this way, operational reliability is advantageously increased. Such a process can advantageously be displayed on the protective switching device.
  • the third current threshold value and the second period of time correspond, for example, to the standard current-time limit values, i.e. the I-t characteristics for protective devices, for example according to the IEC 60947 or IEC 60898 standard present use / application.
  • the MK mechanical isolating contact system can interrupt on a single pole. This means that only one of the two conductors, in particular the active conductor or phase conductor, is interrupted, i.e. there is mechanical contact. The neutral conductor is then contact-free, i.e. the neutral conductor is directly connected.
  • phase conductors have mechanical contacts of the mechanical isolating contact system.
  • neutral conductor is directly connected. For example for a three-phase alternating current circuit.
  • the neutral conductor also has mechanical contacts, as shown in FIG.
  • the MK mechanical isolating contact system means, in particular, a (standard-compliant) isolating function, implemented by the MK isolating contact system.
  • the isolating function means the points: -minimum clearance according to the standard (minimum distance between the contacts), -contact position display of the contacts of the mechanical isolating contact system, -actuation of the mechanical isolating contact system is always possible (no blocking of the isolating contact system).
  • the isolating function and its properties are based on the DIN EN 60947 or IEC 60947 series of standards, to which reference is made here.
  • the isolating contact system is advantageously characterized by a minimum clearance of the opened isolating contacts in the opening (open position, open contacts) depending on the rated impulse withstand voltage and the degree of pollution.
  • the minimum clearance is in particular between (at least) 0.01 mm and 14 mm.
  • the minimum clearance is advantageously between 0.01 mm at 0.33 kV and 14 mm at 12 kV, in particular for pollution degree 1 and in particular for inhomogeneous fields.
  • the pollution degrees and field types correspond to those defined in the standards.
  • a protective switching device that is dimensioned according to the rated impulse withstand voltage and conforms to the standard can advantageously be achieved.
  • FIG. 2 shows an illustration according to FIG. 1, with a further detailed configuration.
  • the control unit SE has two sub-units, a preferably analog first sub-unit SEA and a preferably digital second sub-unit SED.
  • the first subunit SEA has a current comparator CI.
  • the instantaneous current change values DI of the current sensor SI are supplied to this.
  • the current comparator CI instantaneous current change threshold values SWI supplied by the second sub-unit SED.
  • the current comparator CI compares the instantaneous current change values DI with the instantaneous current change threshold values SWI and, as described, outputs a first value if it is exceeded
  • the current interruption signal TI can be fed to a logic unit LG, which combines it with other interruption signals and emits the first interruption signal TRIP for semiconductor-based interruption or high-impedance interruption to the electronic interruption unit EU.
  • the current comparator CI temporarily stores the instantaneous threshold values SWI in order to have the values constantly available.
  • the instantaneous current change threshold values SWI are synchronized with the time curve of the instantaneous voltage values (the time curve of the voltage). As a result, small instantaneous current change threshold values SWI are used (or are present) when the instantaneous voltage is low (phase angle of a sinusoidal alternating voltage of e.g. -30° to 0° to 30°) and when the instantaneous voltage is high (phase angle of a sinusoidal alternating voltage). from e.g. 60° to 90° to 120°) high current change threshold values SWI are used (or are available), so that the tripping time is largely independent of the phase angle of the voltage, so that the tripping time is below the first threshold value over time.
  • the instantaneous current change values DI are also supplied to the second sub-unit SED.
  • the instantaneous current change values DI are digitized there by an analog/digital converter ADC and fed to a microprocessor CPU. This carried out a determination or calculation of the instantaneous current change threshold values SWI.
  • the instantaneous current change threshold values SWI determined by the second subunit SED or in particular the microprocessor CPU are in turn fed to the first subunit SEA, in particular the current comparator CI, in order to carry out the comparison described above.
  • the instantaneous current change threshold values SWI can advantageously be determined digitally in the second sub-unit SED, or with a slower one Processing speed as the continuous comparison of instantaneous current change values DI with the instantaneous current change threshold values SWI in the first sub-unit SEA.
  • the first sub-unit SEA can have a voltage comparator CU.
  • the instantaneous voltage values DU of the voltage sensor SU are fed to this.
  • instantaneous voltage threshold values SWU are supplied to the voltage comparator CU by the second sub-unit SED.
  • the voltage comparator CU compares the instantaneous voltage values DU with the instantaneous voltage threshold values SWU and emits a voltage interruption signal TU to initiate an interruption of the low-voltage circuit if the voltage is exceeded or not reached or a range check is carried out.
  • the voltage interruption signal TU can be fed to the logic unit LG, which combines it with the (other) interruption signal(s) and emits the first interruption signal TRIP for semiconductor-based interruption or high-impedance interruption to the electronic interruption unit EU.
  • the voltage comparator CU temporarily stores the instantaneous threshold values SWU in order to have the values constantly available.
  • the instantaneous voltage values DU can also be supplied to the second sub-unit SED.
  • the instantaneous voltage values DU are digitized there by the analog/digital converter ADC and fed to the microprocessor CPU. This carries out a determination or calculation of the instantaneous voltage threshold values SWU.
  • the instantaneous voltage threshold values SWU determined by the second sub-unit SED or in particular the microprocessor CPU are in turn fed to the first sub-unit SEA, in particular the voltage comparator CU, in order to carry out the comparison described above.
  • the instantaneous voltage threshold values SWU can advantageously be determined digitally in the second subunit SED or at a slower processing speed than the continuous comparison of instantaneous voltage values DU and instantaneous voltage threshold values SWU in the first subunit SEA.
  • a second interrupt signal TRIPG can be issued by the second subunit SED of the control unit SE, in particular by the microprocessor CPU, for galvanic interruption of the low-voltage circuit to the mechanical isolating contact system MK, as shown in FIG.
  • the configuration of the control unit with an analog first sub-unit and a digital second sub-unit has the particular advantage that an efficient architecture is present.
  • the first analog sub-unit can carry out a very quick comparison of instantaneous values and threshold values, as a result of which quick short-circuit detection is possible.
  • the second sub-unit can carry out a threshold value calculation or adjustment which is independent of this and which does not have to be carried out as quickly as the detection.
  • the threshold values can be temporarily stored, for example, in order to be available for a quick comparison.
  • the threshold values do not have to be constantly adjusted.
  • FIG. 3 shows a further embodiment or variant according to FIG. 1 and FIG. 2.
  • FIG. 3 shows part of a simple variant of the preferably analog first subunit SEAE and part of an alternative variant of the preferably digital second subunit SEDE.
  • the part of the simple variant of the first sub-unit SEAE has the current comparator CIE, the current Current change values DI, in particular their amount, and the instantaneous current change threshold values SWI, in particular also related to the amount, are supplied.
  • the current comparator CIE directly emits the first interruption signal TRIP for interrupting the low-voltage circuit, analogously to FIG.
  • the part of the alternative variant of the second subunit SEDE has a network synchronization unit NSE.
  • the (analogue) instantaneous voltage values DU are supplied to this.
  • the grid synchronization unit NSE determines the phase angle ⁇ (t) of the voltage from the supplied (analogue) instantaneous voltage values DU, which are e.g. a sinusoidal AC voltage of the low-voltage circuit.
  • the amplitude U and an expected time value of the voltage UE or the expected value of the voltage UE can also be determined.
  • the expected value of the voltage UE is a type of filtered or regenerated or generated equivalent instantaneous voltage value DU.
  • phase angle ⁇ (t) (as well as the expected value of the voltage UE or the amplitude U) of the voltage DU can be determined, for example, by a so-called phase-locked loop or phase-locked loop, PLL for short.
  • PLL is an electronic circuit arrangement that influences the phase position and the associated frequency of a variable oscillator via a closed control circuit in such a way that the phase deviation between an external periodic reference signal (instantaneous voltage values) and the oscillator or a signal derived from it is possible - is as constant as possible.
  • phase angle ⁇ (t), the fundamental frequency and its amplitude of the mains voltage supplied, ie the determined voltage values, can be determined, ie also the (undisturbed or filtered) expected value of the (mains) voltage.
  • the phase angle ⁇ (t) determined by the network synchronization unit NSE (and possibly the amplitude U and/or the expected time value of the voltage UE) are supplied to a threshold value unit SWE.
  • the threshold value unit SWE can have a (scaled) curve for the (phase-related) instantaneous current change threshold values SWI. For example, in the case of a sinusoidal AC voltage in the low-voltage circuit, an (approximately) sinusoidal current change threshold value curve, i.e. a sinusoidal curve of the instantaneous current change threshold values SWI over the phase angle 0° to 360° or the period (or the (cor - responding) time).
  • the protective switching device SG can have one, in particular a single, setting element.
  • a limit value for the current rise can be set with this, in particular the only setting element on the protective switching device SG.
  • the limit value for the current increase can also be specified or programmed as a fixed value.
  • the current change threshold value curve is then scaled with regard to this limit value for the current increase, which is set or fixed by means of the setting element.
  • the amplitude (i.e. maximum value) of the current change threshold curve can be scaled with the current rise limit.
  • the limit value for the current increase can be set in the range from 0.1 A/ps to 5 A/ps or can be permanently specified.
  • values of 0.1 A/ps to 1 A/ps are particularly advantageous for weaker networks (typically 0.5 to 4 kA connected load).
  • values from 1 A/ps to 5 A/ps are particularly advantageous for stronger/rigid networks (typically 6 to 36 kA connected load).
  • the limit value for the current rise is set as a function of the part of the low-voltage circuit connected to the line-side connection of the protective switching device.
  • the network side in particular the energy source side, determines the level of the limit value for the according to the invention Current increase (and not, as is usually the case, the load side or consumer side) in order to enable quick short-circuit detection.
  • the limit value is determined by the network-side inductances or ohmic components or the feed power (driving energy).
  • the current rise is around 3 A/ps.
  • the current change limit value would be 0.92 A/ps (at 1 A/ps) at 300 volts with an angle of about 67°. i.e. in the event of such a short-circuit event in the 6 kA network, the circuit would be interrupted safely and quickly.
  • the circuit would be interrupted safely and quickly.
  • the instantaneous current change threshold values SWI can be transmitted to the current comparator CIE by the presence of the phase angle ⁇ (t) of the voltage in the threshold value unit SWE synchronously with the instantaneous current change value DI, so that a phase-related (phase angle-related) comparison between the instantaneous current change value DI and instantaneous Current change threshold SWI can be done.
  • FIG. 4 shows, on the one hand, the course of the magnitude of the voltage
  • a sinusoidal AC voltage in the low-voltage AC circuit For example, a sinusoidal AC voltage in the low-voltage AC circuit.
  • phase angle-related or phase angle-dependent (absolute) scaled (0 to 1) instantaneous current change threshold value threshold, on the right vertical axis, over time t in s [s].
  • the time (scaled) progression of the instantaneous current change threshold values threshold corresponds to the (phase-related) instantaneous current change threshold values SWI.
  • the time (scaled) progression of the instantaneous current change threshold values threshold is scaled according to the invention in accordance with the limit value for the current increase that is set or fixed by means of the setting element.
  • the amplitude (scale 1) is set to 5 A/ps.
  • the progression of the instantaneous current change threshold values threshold corresponds to the progression of the voltage in the circuit, as shown in FIG. That means, for example, with a triangular voltage curve, a triangular current change threshold value curve would be used.
  • the background is that the level of the voltage determines the level of the (short-circuit) current increase.
  • low threshold values are consequently used at low voltage and high threshold values at high voltage, in order to enable fast, phase-angle-independent, short-circuit detection.
  • current change values i.e. the change in the level of the current over time, i.e. the di/dt, one is also independent of the absolute current level according to the invention.
  • the (periodic) instantaneous current change threshold values SWI have a minimum value. Ie the sine curve is not ideal. The minimum value is greater than zero. The minimum value is in the range 5 to 20% of the maximum value, for example (at) 10% or 15%, ie the amplitude of the current change threshold curve threshold.
  • the minimum value takes the place of or in the area of the zero crossing of the (sine) curve for the current change threshold values.
  • the voltage and current change threshold values over time are phase-synchronized in such a way that the time of the amplitude (maximum value) of the voltage corresponds to the time of the amplitude (maximum value) of the current change threshold value, as shown in Figure 4 shown.
  • the range of the zero crossing of the voltage also corresponds to the range of the minimum value of the current change threshold value.
  • the time profile ERF of the short-circuit detection according to the invention is based on the detection of the phase-angle-related amount of the current change, which is phase-angle-related by phase-exact comparison with Current change threshold values takes place, with the phase angle-related current change threshold values being synchronized with the (driving) voltage.
  • the phase angle resolution determines the speed of the calculation of the threshold values. With a phase angle resolution of 1°, i.e. there is a threshold value for each full phase angle of the voltage, i.e. there is an instantaneous threshold value approximately every 55.5 ps. Switching off takes place preferably via an analogue comparator, i.e. continuously, and is therefore significantly faster (e.g. in the nanosecond range) than the phase angle resolution.
  • phase angle resolution determines the speed of detection. With a phase angle resolution of 1°, i.e. there is a threshold value for each full phase angle of the voltage, i.e. there is an instantaneous threshold value approximately every 55.5 ps, this means that the device can be switched off after a minimum of approximately 60 ps. Shorter turn-off times can be achieved with higher phase angle resolutions.
  • the values are then processed with at least 18 kHz.
  • the current change threshold values can also be stored (scaled) in a table, with the value then being adjusted if necessary.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis, bei dem die Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises in Form von momentanen Spannungswerten ermittelt wird. Die Änderung des Stromes nach der Zeit wird ermittelt, so dass momentane Stromänderungswerte (DI) vorliegen. Die momentanen Stromänderungswerte (DI) werden mit momentanen Stromänderungsschwellwerten (SWI) zur Erkennung eines Kurzschlusses im Niederspannungsstromkreis verglichen und bei einer Überschreitung der Stromänderungsschwellwerte wechselt (TRIP) eine elektronische Unterbrechungseinheit vom niederohmigen Zustand in den hochohmigen Zustand zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises, wobei dieser Vorgang eine Auslösezeit vom Kurzschlussereignis bis zum hochohmigen Zustand aufweist. Die Auslösezeit ist weitestgehend phasenwinkelunabhängig.

Description

Beschreibung
Schutzschaltgerät und Verfahren
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet eines Schutz- schaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit und ein Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit.
Mit Niederspannung sind Spannungen von bis zu 1000 Volt Wech- selspannung oder bis zu 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen gemeint, die grö- ßer als die Kleinspannung, mit Werten von 50 Volt Wechsel- spannung bzw. 120 Volt Gleichspannung, sind.
Mit Niederspannungsstromkreis bzw. -netz oder -anlage sind Stromkreise mit Nennströmen bzw. Bemessungsströmen von bis zu 125 Ampere, spezifischer bis zu 63 Ampere gemeint. Mit Nie- derspannungsstromkreis sind insbesondere Stromkreise mit Nennströmen bzw. Bemessungsströmen von bis zu 50 Ampere, 40 Ampere, 32 Ampere, 25 Ampere, 16 Ampere oder 10 Ampere ge- meint. Mit den genannten Stromwerten sind insbesondere Nenn-, Bemessungs- oder/und Abschaltströme gemeint, d.h. der Strom der im Normalfall maximal über den Stromkreis geführt wird bzw. bei denen der elektrische Stromkreis üblicherweise un- terbrochen wird, beispielsweise durch eine Schutzeinrichtung, wie ein Schutzschaltgerät, Leitungsschutzschalter oder Leis- tungsschalter .
Leitungsschutzschalter sind seit langem bekannte Uberstrom- schutzeinrichtungen, die in der Elektroinstallationstechnik in Niederspannungsstromkreisen eingesetzt werden. Diese schützen Leitungen vor Beschädigung durch Erwärmung infolge zu hohen Stromes und/oder Kurzschluss. Ein Leitungsschutz- schalter kann den Stromkreis bei Überlast und/oder Kurz- schluss selbsttätig abschalten. Ein Leitungsschutzschalter ist ein nicht selbsttätig zurückstellendes Sicherungselement. Leistungsschalter sind, im Gegensatz zu Leitungsschutzschal- tern, für Ströme größer als 125 A vorgesehen, teilweise auch schon ab 63 Ampere. Leitungsschutzschalter sind deshalb ein- facher und filigraner aufgebaut. Leitungsschutzschalter wei- sen üblicherweise eine Befestigungsmöglichkeit zur Befesti- gung auf einer so genannten Hutschiene (Tragschiene, DIN- Schiene, TH35) auf.
Leitungsschutzschalter sind elektromechanisch aufgebaut. In einem Gehäuse weisen sie einen mechanischen Schaltkontakt bzw. Arbeitsstromauslöser zur Unterbrechung (Auslösung) des elektrischen Stromes auf. Üblicherweise wird ein Bimetall- Schutzelement bzw. Bimetall-Element zur Auslösung (Unterbre- chung) bei länger anhaltenden Überström (Überstromschutz) respektive bei thermischer Überlast (Überlastschutz) einge- setzt. Ein elektromagnetischer Auslöser mit einer Spule wird zur kurzzeitigen Auslösung bei Überschreiten eines Uberstrom- grenzwerts bzw. im Falle eines Kurzschlusses (Kurzschluss- schutz) eingesetzt. Eine oder mehrere Lichtbogenlöschkam- mer (n) bzw. Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung sind vorge- sehen. Ferner Anschlusselemente für Leiter des zu schützenden elektrischen Stromkreises.
Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungs- einheit sind relativ neuartige Entwicklungen. Diese weisen eine halbleiterbasierte elektronische Unterbrechungseinheit auf. D.h. der elektrische Stromfluss des Niederspannungs- stromkreises wird über Halbleiterbauelemente respektive Halb- leiterschalter geführt, die den elektrischen Stromfluss un- terbrechen bzw. leitfähig geschaltet werden können. Schutz- schaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit weisen ferner häufig ein mechanisches Trennkontaktsystem auf, insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß einschlägigem Normen für Niederspannungsstromkreise, wobei die Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet sind, d.h. der Strom des zu schützenden Niederspannungsstromkreises wird sowohl über das mechanische Trennkontaktsystem als auch über die elektroni- sche Unterbrechungseinheit geführt.
Bei halbleiterbasierten Schutzschaltgeräte bzw. Schutzgerä- ten, neudeutsch Solid State Circuit Breaker, kurz SSCB, muss die Schaltenergie nicht wie bei einem mechanischen Schaltge- rät in einen Lichtbogen, sondern mittels eines zusätzlichen Schaltkreises, dem Energy Absorber, in Wärme umgesetzt wer- den. Die Abschaltenergie umfasst dabei die im Stromkreis, d.h. in den Netz-, Leitungs- bzw. Lastimpedanzen (Verbrau- cherimpedanzen), gespeicherte Energie. Um den Energy Absorber zu entlasten, muss der Strom, der im Moment des Abschaltens fließt, möglichst gering sein. Dies gilt auch im Falle eines Kurzschlusses. Hier steigt der Strom sehr schnell an. Durch schnelle Kurzschlusserkennung kann ein Kurzschluss frühzeitig erkannt und ein zu hoher Kurzschlussstrom vermieden werden. Das halbleiterbasierte Schutzschaltgerät unterbricht, im Sinne eines Abschaltvorganges, nahezu unverzögert, innerhalb von ps, den Stromkreis. Es treten keine hohen Ströme auf und die Belastung des Energy Absorbers eines halbleiterbasierten Schutzschaltgerätes wird reduziert. Bekannte Kurschlusserken- nungen bzw. Abschaltkriterien basieren üblicherweise auf der Ermittlung und Auswertung des Strom-Istwertes.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Niederspannungs- wechselstromkreise, mit einer Wechselspannung, üblicherweise mit einer zeitabhängigen sinusförmigen Wechselspannung mit der Frequenz f, typischerweise 50 oder 60 Hertz (Hz). Die zeitliche Abhängigkeit des momentanen Spannungswertes u(t) der Wechselspannung ist durch die Gleichung: u(t) = U * sin (2π * f * t) beschrieben. Wobei: u(t) = momentaner Spannungswert zu der Zeit t
U = Amplitude (Maximalwert) der Spannung Eine harmonische Wechselspannung lässt sich durch die Rota- tion eines Zeigers darstellen, dessen Länge der Amplitude (U) der Spannung entspricht. Die Momentanauslenkung ist dabei die Projektion des Zeigers auf ein Koordinatensystem. Eine Schwingungsperiode entspricht einer vollen Umdrehung des Zei- gers und dessen Vollwinkel beträgt 2n (2Pi) bzw. 360°. Die Kreisfrequenz ist die Änderungsrate des Phasenwinkels dieses rotierenden Zeigers. Die Kreisfrequenz einer harmonischen Schwingung beträgt immer das 2n-fache ihrer Frequenz, d.h.: ω = 2n*f = 2n/T = Kreisfrequenz der Wechselspannung (T = Periodendauer der Schwingung)
Häufig wird die Angabe der Kreisfrequenz (ω) gegenüber der Frequenz (f) bevorzugt, da sich viele Formeln der Schwin- gungslehre aufgrund des Auftretens trigonometrischer Funktio- nen, deren Periode per Definition 2n ist, mit Hilfe der Kreisfrequenz kompakter darstellen lassen: u (t) = U * sin (ωt)
Im Falle zeitlich nicht konstanter Kreisfrequenzen wird auch der Begriff momentane Kreisfrequenz verwendet.
Bei einer sinusförmigen, insbesondere zeitlich konstanten, Wechselspannung entspricht der zeitabhängige Wert aus der Winkelgeschwindigkeit ω und der Zeit t dem zeitabhängigen Winkel φ (t), der auch als Phasenwinkel φ (t) bezeichnet wird. D.h. der Phasenwinkel φ (t) durchläuft periodisch den Bereich O...2n bzw. 0°...360°. D.h. der Phasenwinkel nimmt periodisch ei- nen Wert zwischen 0 und 2n bzw. 0° und 360° an (φ = n*(0...2n) bzw. φ = n*(0°...360°), wegen Periodizität; verkürzt: φ = O...2n bzw. φ = 0°...360°).
Mit momentanem Spannungswert u(t) ist folglich der momentane Wert der Spannung zum Zeitpunkt t, d.h. bei einer sinusförmi- gen (periodischen) Wechselspannung der Wert der Spannung zum Phasenwinkel φ gemeint (φ = O...2n bzw. φ = 0°...360°, der jewei- ligen Periode).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schutzschalt- geräte eingangs genannter Art zu verbessern, insbesondere eine schnelle und alternative Möglichkeit zur Kurzschlusser- kennung aufzuzeigen, sowie spezieller kurze und annähernd konstante Auslösezeiten zu erreichen, und eine sichere Unter- brechung zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch ein Schutzschaltgeräte mit den Merk- malen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 17 gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein (elektronisches) Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises, insbesondere Niederspannungswechselstromkreises, vorgesehen, aufweisend :
- ein Gehäuse mit netzseitigen und lastseitigen Anschlüssen für Leiter des Niederspannungswechselstromkreises,
- einen Spannungssensor, zur Ermittlung der Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises, derart das momentane (pha- senwinkelbezogene) Spannungswerte vorliegen,
- einen Stromsensor, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises, derart das momentane (phasenwin- kelbezogene) Stromwerte vorliegen,
- einer elektronischen Unterbrechungseinheit, die durch halb- leiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Unterbrechung und einen niederohmigen Zu- stand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungs- stromkreis aufweist,
- einer Steuerungseinheit, die mit dem Spannungssensor, dem Stromsensor und der Unterbrechungseinheit verbunden ist, dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist,
- dass bei einer Erkennung eines, insbesondere lastseitigen, Kurzschlusses die elektronische Unterbrechungseinheit vom niederohmigen Zustand in den hochohmigen Zustand zur Unter- brechung des Niederspannungsstromkreises wechselt, wobei dieser Vorgang eine Auslösezeit vom Kurzschlussereignis bis zum hochohmigen Zustand aufweist, dass die Auslösezeit kleiner als ein zeitlicher erster Schwellwert ist.
Erfindungsgemäß soll erreicht werden, dass eine schnelle und über die Periodendauer der Wechselspannung weitestgehend kon- stante, d.h. unter einem zeitlich ersten Schwellwert lie- gende, Auslösezeit erreicht wird.
Damit ist vorteilhaft eine sehr schnelle Erkennung von Kurz- schlüssen möglich, bei Vermeidung einer hohen Schaltenergie.
Vorsteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un- teransprüchen angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auslösezeit unabhängig vom Phasenwinkel der Spannung, so dass bei kleiner momentaner Spannung und bei großer momentaner Spannung annähernd die gleichen Auslösezeiten erreicht wer- den. Insbesondere ist die Auslösezeit über eine volle Perio- dendauer der Spannung annähernd konstant.
Dies hat den besonderen Vorteil, eine noch gleichbleibendere weitestgehend konstante Auslösezeit erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein, insbesondere einziges, Einstellelement am Schutzschaltgerät vorgesehen, mit dem ein Grenzwert für den Stromanstieg ein- stellbar ist, um den Grenzwert für die Kurzschlusserkennung einzustellen .
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Einstellung nicht durch einen Stromschwellwert für die Kurzschlusserkennung, sondern durch einen Stromanstiegsschwellwert respektive Stro- mänderungsschwellwert erfolgt, d.h. eine (zumindest weitest- gehend) vom absoluten Strom unabhängige Einstellung eines Kurzschlusserkennungswertes .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Grenzwert für den Stromanstieg abhängig von am netzseitigen Anschluss des Schutzschaltgerätes angeschlossenen Teil des Niederspannungsstromkreises eingestellt.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine lastseitenunabhän- gige Einstellung, d.h. insbesondere von der angeschlossenen Last bzw. Verbraucher unabhängige Einstellung, der Kurz- schlusserkennung erfolgen kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus den momentanen Stromwerten die Änderung des Stromes nach der Zeit ermittelt, so dass momentane Stromänderungswerte vorlie- gen.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass für die Kurzschlusser- kennung entsprechende Messwerte vorliegen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegen vom (periodischen) zeitlichen Verlauf der Höhe der Spannung, d.h. von den momentanen Spannungswerte, abhängige (periodische) momentane Stromänderungsschwellwerte vor.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine von der Periodizi- tät der Spannung abhängige Schwellwerte/Stromänderungs- schwellwerte vorliegen, um eine weitestgehend gleichbleibende bzw. konstante Auslösezeit zu erreichen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die momentanen Stromänderungswerte phasenbezogen mit den momenta- nen Stromänderungsschwellwerten verglichen. Bei Überschrei- tung des momentanen Stromänderungsschwellwertes wird eine Un- terbrechung des Niederspannungsstromkreises initiiert.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine weitestgehend gleichbleibende bzw. konstante Auslösezeit erreicht werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die (periodischen) momentanen Stromänderungsschwellwerte einen Minimalwert auf, der größer als Null ist. Insbesondere ist dieser Minimalwert im Bereich von 5 bis 20% des Maximalwer- tes, d.h. des maximalen Stromänderungsschwellwertes. Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei kleinen Stromände- rungswerten bzw. kleinen Spannungen eine sichere Erkennung von Kurzschlussströmen ermöglicht wird und Fehlauslösungen vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Niederspannungswechselstromkreis einen zeitlich sinusförmigen Spannungsverlauf auf (Idealfall). Die momentanen Stromände- rungsschwellwerte weisen ebenfalls einen zeitlich, insbeson- dere betragsmäßigen, sinusförmigen Stromänderungsverlauf auf. Wobei insbesondere der Nulldurchgang bzw. der Bereich des Nulldurchganges einen (betragsmäßigen) Minimalwert aufweist, der größer als Null ist, insbesondere größer als 0,2 A/ps ist. Die zeitlichen Verläufe von Spannung und Stromänderungs- schwellwerten sind phasenbezogen derart synchronisiert, dass der Zeitpunkt der Amplitude (Maximalwert) der Spannung mit dem Zeitpunkt der Amplitude (Maximalwert) des Stromänderungs- schwellwertes übereinstimmt.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Erkennung bei (insbesondere) sinusförmigen Spannungsverläufen ermög- licht wird.
Insbesondere stimmt der Bereich des Nulldurchganges der Span- nung mit dem Bereich des Minimalwertes des Stromänderungs- schwellwertes überein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung muss die Überschreitung des Stromänderungsschwellwertes für eine erste Zeitspanne vorliegen, um eine Unterbrechung des Niederspan- nungsstromkreises zu initiieren.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass Fehlauslösungen vermie- den werden und eine höhere Zuverlässigkeit erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass die Steuerungseinheit eine analoge erste Teileinheit und eine digitale zweite Teileinheit aufweist. Die erste Teilein- heit weist einen Stromkomparator auf, dem die momentanen Stromänderungswerte und die momentanen Stromänderungsschwellwerte, letztere insbesondere von der zweiten Teileinheit (SED), zugeführt werden. Die Stromände- rungsschwellwerte werden gemäß dem zeitlichen Verlauf der Spannung von der zweiten Teileinheit phasenbezogenen bereit- gestellt. Hiermit wird ein auf den zeitlichen Verlauf der Spannung phasenbezogener Vergleich der momentanen Stromände- rungswerte mit den momentanen Stromänderungsschwellwerten er- möglicht. Womit eine Unterbrechung des Niederspannungsstrom- kreises bei Überschreitung der Stromänderungsschwellwerte initiiert werden kann.
Dies hat den besonderen Vorteil, einer einfachen Implementie- rung der Lösung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass eine Netzsynchro- nisationseinheit vorgesehen ist. Diese ermittelt aus den zu- geführten momentanen Spannungswerten mindestens einen Phasen- winkel (φ (t)) der Spannung und alternativ die Amplitude (U) der Spannung. Eine Schwellwerteinheit ist vorgesehen, die mit der Netzsynchronisationseinheit und gegebenenfalls dem Ein- stellelement verbunden ist, so dass mit dem Phasenwinkel (φ (t)) der Spannung, der Amplitude (U) der Spannung und dem, insbesondere eingestellten, Grenzwert für den Stromanstieg momentane Stromänderungsschwellwerte ermittelt werden. Die momentanen Stromänderungswerte werden phasenbezogen mit den momentanen Stromänderungsschwellwerten verglichen, zur Er- mittlung der Initiierung einer Unterbrechung.
Dies hat den besonderen Vorteil einer weiteren einfachen Im- plementierung der Lösung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein mechanisches Trennkontaktsystem vorgesehen ist, das strom- kreisseitig in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet ist, so dass eine galvanische Trennung im Nieder- spannungsstromkreis geschaltet werden kann. Das mechanische Trennkontaktsystem ist mit der Steuerungseinheit verbunden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass sowohl eine schnelle Unterbrechung des elektrischen Niederspannungswechselstromkreises durch die elektronische Unterbrechungseinheit als auch eine galvanische Trennung, insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß Norm, d.h. eine Freischaltung (im Gegensatz zu einer Abschaltung, realisiert werden kann. So liegt ein umfassendes Schutzschaltgerät vor.
Vorteilhaft wird neben einer Unterbrechung durch die elektro- nische Unterbrechungseinheit auch eine galvanische Unterbre- chung durch das mechanische Trennkontaktsystem initiiert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei hochohmiger bzw. hochohmig geschalteter elektronischer Unter- brechungseinheit und einem Strom im Niederspannungsstrom- kreis, der einen ersten Stromschwellwert überschreitet, eine galvanische Trennung initiiert.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei Restströmen oder einer fehlerhaften elektronischen Unterbrechungseinheit eine Freischaltung des Stromkreises gegeben ist, d.h. eine erhöhte Sicherheit wird bereitgestellt.
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit elektronischen (halbleiterbasierten) Schaltelementen mit den gleichen und weiteren Vorteilen beansprucht.
Beim Verfahren zum Schutz eines elektrischen Niederspannungs- stromkreis wird die:
- die Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises in Form von momentanen Spannungswerte ermittelt,
- die Änderung des Stromes nach der Zeit ermittelt, so dass momentane Stromänderungswerte vorliegen,
- die momentane Stromänderungswerte werden mit momentanen Stromänderungsschwellwerten zur Erkennung eines Kurzschlusses im Niederspannungsstromkreis verglichen und bei einer Über- schreitung der Stromänderungsschwellwerte wird eine elektro- nische Unterbrechungseinheit vom niederohmigen Zustand in den hochohmigen Zustand zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises wechseln, wobei dieser Vorgang eine Auslösezeit vom Kurzschlussereignis bis zum hochohmigen Zustand aufweist. Die Auslösezeit ist hierbei kleiner als ein zeitlicher erster Schwellwert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die momentanen Stromänderungswerte phasenbezogen mit den momenta- nen Stromänderungsschwellwerten verglichen, wobei die momen- tanen Stromänderungsschwellwertes mit dem zeitlichen Verlauf der momentanen Spannungswerte synchronisiert sind, so dass bei kleiner momentaner Spannung kleine momentane Stromände- rungsschwellwerte und bei hoher momentaner Spannung hohe Stromänderungsschwellwerte vorliegen, so dass die Auslösezeit weitestgehend unabhängig vom Phasenwinkel der Spannung ist bzw. so dass die Auslösezeit unter dem zeitlich ersten Schwellwert liegt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die momentanen Stromänderungsschwellwerte einen Minimalwert auf, der größer als Null ist, insbesondere größer als 5 bis 20% vom Maximalwert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen bei einem zeitlich sinusförmigen Spannungsverlauf im Niederspan- nungswechselstromkreis die momentanen Stromänderungsschwell- werte einen zeitlich, insbesondere betragsmäßigen, sinusför- migen Stromänderungsverlauf mit einem Minimalwert, der größer als Null ist, auf. Die zeitlichen Verläufe von Spannung und Stromänderungsschwellwerten sind phasenbezogen derart syn- chronisiert, dass der Zeitpunkt der Amplitude der Spannung mit dem Zeitpunkt der Amplitude des Stromänderungsschwellwer- tes übereinstimmt.
Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw. 17, als auch rückbezogen ledig- lich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Pa- tentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Schutzschaltgerätes zur schnellen und sicheren Abschaltung bei Überströmen und Kurzschlüssen.
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.
Dabei zeigt die Zeichnung:
Figur 1 eine Darstellung eines Schutzschaltgerätes,
Figur 2 eine erste Ausgestaltung des Schutzschaltgerätes,
Figur 3 eine zweite Ausgestaltung des Schutzschaltgerätes,
Figur 4 Spannungs- und Stromänderungsschwellwertverläufe über der Zeit,
Figur 5 Strom- und Spannungsverläufe über der Zeit.
Figur 1 zeigt eine Darstellung eines Schutzschaltgerätes SG zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises mit einem Gehäuse GEH, aufweisend:
- Anschlüsse für Leiter des Niederspannungsstromkreises, ins- besondere erste Anschlüsse LI, NI für eine netzseitigen, ins- besondere energiequellenseitigen, Anschluss EQ des Schutz- schaltgerätes SG und zweite Anschlüsse L2, N2 für einen last- seitigen, insbesondere energiesenkenseitigen - im Falle pas- siver Lasten, Anschluss ES (verbraucherseitigen Anschluss) des Schutzschaltgerätes SG, wobei speziell phasenleitersei- tige Anschlüsse LI, L2 und neutralleiterseitige Anschlüsse NI, N2 vorgesehen sein können; der lastseitige Anschluss kann eine passive Last (Verbrau- cher) oder/und eine aktive Last ((weitere) Energiequelle auf- weisen, bzw. eine Last, die sowohl passiv als auch aktiv sein kann, z.B. in zeitlicher Abfolge; - einen Spannungssensor SU, zur Ermittlung der Höhe der Span- nung des Niederspannungsstromkreises, so dass momentane Span- nungswerte (phasenbezogene Spannungswerte) DU vorliegen,
- einen Stromsensor SI, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises, derart das momentane (pha- senwinkelbezogene) Stromwerte vorliegen, in einer Ausgestaltung kann der der Stromsensor SI derart ausgestaltet sein, dass aus den momentanen Stromwerten die Änderung des Stromes nach der Zeit ermittelt wird, so dass momentane Stromänderungswerte DI vorliegen, alternativ kann dies in einer separaten Einheit bzw. einer (nachfolgend be- schriebenen) Steuerungseinheit SE erfolgen,
- einer elektronischen Unterbrechungseinheit EU, die durch halbleiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Unterbrechung und einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungs- stromkreis aufweist,
- einer Steuerungseinheit SE, die mit dem Spannungssensor, dem Stromsensor SI und der elektronischen Unterbrechungsein- heit EU verbunden ist; die Steuerungseinheit SE kann:
* mit einer digitalen Schaltung, z.B. mit einem Mikroprozes- sor, realisiert sein; der Mikroprozessor kann auch einen Ana- log-Teil enthalten;
* mit einer digitalen Schaltung mit analogen Schaltungsteilen realisiert sein.
Das Schutzschaltgerät SG, insbesondere die Steuerungseinheit SE, ist derart ausgestaltet, dass bei einer Erkennung eines, insbesondere lastseitigen (ES), Kurzschlusses die elektroni- sche Unterbrechungseinheit EU vom niederohmigen Zustand in den hochohmigen Zustand zur Unterbrechung des Niederspan- nungsstromkreises wechselt, wobei dieser Vorgang eine Auslö- sezeit vom Kurzschlussereignis bis zum hochohmigen Zustand aufweist. Erfindungsgemäß ist die Auslösezeit kleiner als ein zeitlicher erster Schwellwert ist. Der erste Schwellwert ist kleiner als 1 ms, spezieller kleiner 200 ps, insbesondere kleiner als 100 ps. Erfindungsgemäß soll erreicht werden, dass die Auslösezeit über eine volle Periodendauer der Spannung nicht größer als 1 ms oder 200 ps / 100 ps wird. Wenn die Erkennung schneller erfolgt, soll auch schneller ausgelöst werden (sie soll dann nicht langsamer gemacht werden). Der genannte zeitliche erste Schwellwert stellt eine Maximalzeit für langsame Fehlerfälle dar, d.h. wenn die treibende Spannung noch gering ist, z.B. 50 Volt ist somit der Stromänderungswert (im Fehlerfall) ebenfalls klein (bei netzseitiger Induktivität / Schleifenin- duktivität / Energiequelle mit Leitungen zum Kurzschluss von 100 pH), z.B. 0,5 A/ps.
Durch die erfindungsgemäße mitlaufende Anpassung der Stromän- derungsschwellwerte kann so ein Fehlerfall bei geringen mo- mentanen Spannungen schnell erkannt werden.
Ein so kleiner fest eingestellter Stromänderungsschwellwert würde andernfalls (bei hohen momentanen Spannungen) Fehlaus- lösungen begünstigen.
Erfindungsgemäß ist die Auslösezeit gering, insbesondere (weitestgehend) unabhängig vom Phasenwinkel der Spannung, so dass bei kleiner momentaner Spannung und bei großer momenta- ner Spannung annähernd die gleichen Auslösezeiten erreicht werden.
Dies wird erfindungsgemäß beispielsweise dadurch erreicht, dass vom (periodischen) zeitlichen Verlauf der Höhe der Span- nung bzw. der ermittelten momentanen Spannungswerte abhängige (periodische) momentane Stromänderungsschwellwerte vorliegen. Die momentanen Stromänderungsschwellwerte können kontinuier- lich oder phasenwinkelweise vorliegen.
Die momentanen Stromänderungsschwellwerte können dabei pro einzelnen Phasenwinkel, einen Phasenwinkelbereich (mehrere Phasenwinkel), z.B. alle 2°, oder einen Phasenwinkelabschnitt (ein Teil eines Phasenwinkels), z.B. alle 0,5° oder 0,1° vor- liegen. Insbesondere eine Auflösung von 1° bis 5° ist beson- ders vorteilhaft (dies entspricht einer Abtastrate von 3,5 bis 20 kHz).
Die momentanen Stromänderungswerte werden phasenbezogen mit den momentanen Stromänderungsschwellwerten verglichen. Bei betragsmäßiger Überschreitung des momentanen Stromänderungs- schwellwertes wird eine Unterbrechung des Niederspannungs- stromkreises, z.B. durch ein erstes Unterbrechungssignal TRIP von der Steuerungseinheit SE zur elektronischen Unterbre- chungseinheit EU, initiiert, wie in Figur 1 eingezeichnet.
Die elektronische Unterbrechungseinheit EU ist gemäß Figur 1 als Block in beiden Leitern eingezeichnet. Damit ist in einer ersten Variante keine Unterbrechung beider Leiter gemeint. Mindestens ein Leiter, insbesondere der aktive Leiter respek- tive Phasenleiter, weist halbleiterbasierte Schaltelemente auf. Der Neutralleiter kann schaltelementefrei sein, d.h. ohne halbleiterbasierte Schaltelemente. D.h. der Neutrallei- ter ist direkt verbunden, d.h. wird nicht hochohmig. D.h. es erfolgt nur eine einpolige Unterbrechung (des Phasenleiters). Sind weitere aktive Leiter / Phasenleiter vorgesehen, weisen in einer zweiten Variante der elektronischen Unterbrechungs- einheit EU die Phasenleiter halbleiterbasierten Schaltele- mente auf. Der Neutralleiter ist direkt verbunden, d.h. wird nicht hochohmig. Beispielsweise für einen Dreiphasen-Wechsel- stromkreis .
In einer dritten Variante der elektronischen Unterbrechungs- einheit EU kann der Neutralleiter ebenfalls ein halbleiterba- siertes Schaltelement aufweisen, d.h. bei einer Unterbrechung der elektronischen Unterbrechungseinheit EU werden beide Lei- ter hochohmig.
Die elektronische Unterbrechungseinheit EU kann Halbleiter- bauelemente wie Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren (FET), Isolated Gate Bipolartransistoren (IGBT), Metall Oxid Schicht Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder andere (selbst- geführte) Leistungshalbleiter aufweisen. Insbesondere IGBT's und MOSFET's eignen sich auf Grund geringer Durchflusswider- stände, hoher Sperrschichtwiderstände und eines guten Schalt- verhaltens besonderes gut für das erfindungsgemäße Schutz- schaltgerät . Zusätzlich, für eine Ausgestaltung der Erfindung, kann ferner ein Stromsensor SI, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises, so dass Stromwerte DI vorliegen, vorgesehen sein, wie im Beispiel gemäß Figur 1 eingezeichnet. Der Stromsensor SI ist dann mit der Steuerungseinheit SE ver- bunden.
Das Schutzschaltgerät SG kann bevorzugt ferner ein mechani- sches Trennkontaktsystem MK aufweisen, insbesondere gemäß Norm mit normgerechten Trennereigenschaften, zur galvanischen Trennung des Stromkreises, insbesondere zum normgerechten Freischalten (im Gegensatz zum Abschalten) des Stromkreises. Das mechanische Trennkontaktsystem MK kann mit der Steue- rungseinheit SE verbunden sein, wie in Figur 1 eingezeichnet, so dass die Steuerungseinheit SE eine galvanische Trennung des Stromkreises initiieren kann.
Speziell kann eine weitere Auswertung implementiert sein, die bei Erfüllung anderer Kriterien eine galvanische Trennung herbeiführt. Beispielsweise kann eine Überstromerkennung vor- gesehen sein, beispielsweise in der Steuerungseinheit SE, die bei Überströmen, d.h. bei Überschreitung von Strom-Zeitgrenz- werten, d.h. wenn ein Strom, der einen Stromgrenzwert über- schreitet, eine bestimmte Zeit anliegt, d.h. beispielsweise ein bestimmter Energieschwellwert überschritten, eine halb- leiterbasierte oder/und galvanische Unterbrechung des Strom- kreises erfolgen.
Alternativ bzw. zusätzlich kann beispielsweise bei einem er- kannten Kurzschluss auch eine galvanische Trennung initiiert werden.
Die Initiierung der galvanischen Unterbrechung des Nieder- spannungsstromkreises erfolgt beispielsweise durch ein weite- res zweites Unterbrechungssignal TRIPG, dass von der Steue- rungseinheit SE zum mechanisches Trennkontaktsystem MK gesen- det wird, wie in Figur 1 eingezeichnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei hochohmiger elektronischer Unterbrechungseinheit EU bzw. hochohmig geschalteter elektronischer Unterbrechungseinheit EU, d.h. wenn die elektronische Unterbrechungseinheit EU in einem hochohmigen Zustand sein soll, und einem Strom im Nie- derspannungsstromkreis, der insbesondere durch den Stromsensor SI festgestellt wird, der einen ersten Strom- schwellwert überschreitet, eine galvanische Trennung initi- iert werden. Der erste Stromschwellwert kann je nach Einsatz- gebiet des Schutzschaltgerätes in der Größenordnung 4 bis 6 mA, insbesondere bei 5 mA oder 6 mA liegen. Der erste Strom- schwellwert kann im Bereich 25 mA bis 32mA liegen, insbeson- dere bei 28 mA, 29 mA oder 30 mA, insbesondere für den Perso- nenschutz in Europa. Der dritte Schwellwert kann im Bereich 290 mA bis 300 mA liegen, insbesondere für den Brandschutz. Jeder der genannten Rand- und Zwischenwerte ist offenbart.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei einer ermittelten Stromhöhe, die einen zweiten Stromschwellwert überschreitet, eine Unterbrechung des Niederspannungsstrom- kreises initiiert werden, insbesondere durch das mechanische Trennkontaktsystem.
Der zweite Stromschwellwert entspricht beispielsweise den normgemäßen Strom- (Zeit-)Grenzwerten, d.h. den I- (t-)Kennli- nien für Schutzgeräte, beispielsweise gemäß Norm IEC 60947 o- der IEC 60898. Die gewählten Strom- (Zeit-)Grenzwerte wählt der Fachmann gemäß der vorliegenden Anwendung / Applikation.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei einer Initiierung einer Unterbrechung des Niederspannungsstromkrei- ses mittels der elektronischen Unterbrechungseinheit und ei- nem Stromfluss im Niederspannungsstromkreis, der einen drit- ten Stromschwellwert überschreitet und für eine zweite Zeit- spanne anhält, eine Unterbrechung des Niederspannungsstrom- kreises durch das mechanische Trennkontaktsystem initiiert werden, um z.B. eine fehlgeschlagenes Hochohmigkeit der elektronischen Unterbrechungseinheit und damit fehlgeschla- gene Unterbrechung des Niederspannungsstromkreis eine Unter- brechung durch das mechanische Trennkontaktsystem herbeizu- führen. So wird vorteilhaft die Betriebssicherheit erhöht. Ein solcher Vorgang kann vorteilhaft am Schutzschaltgerät an- gezeigt werden.
Der dritte Stromschwellwert und die zweite Zeitspanne ent- spricht beispielsweise den normgemäßen Strom-Zeit-Grenzwer- ten, d.h. den I-t-Kennlinien für Schutzgeräte, beispielsweise gemäß Norm IEC 60947 oder IEC 60898. Die gewählten Strom- Zeit-Grenzwerte wählt der Fachmann gemäß der vorliegenden An- wendung / Applikation.
Das mechanische Trennkontaktsystem MK kann in einer ersten Variante einpolig unterbrechen. D.h. es wird nur ein Leiter der beiden Leiter, insbesondere der aktive Leiter respektive Phasenleiter unterbrochen, d.h. weist einen mechanischen Kon- takt auf. Der Neutralleiter ist dann kontaktfrei, d.h. der Neutralleiter ist direkt verbunden.
Sind weitere aktive Leiter / Phasenleiter vorgesehen, weisen in einer zweiten Variante die Phasenleiter mechanische Kon- takte des mechanischen Trennkontaktsystems auf. Der Neutral- leiter ist in dieser zweiten Variante direkt verbunden. Bei- spielsweise für einen Dreiphasen-Wechselstromkreis.
In einer dritten Variante des mechanischen Trennkontaktsystem MK weist der Neutralleiter ebenfalls mechanische Kontakte auf, wie in Figur 1 eingezeichnet.
Mit mechanischem Trennkontaktsystem MK ist insbesondere eine (normgerechte) Trennfunktion gemeint, realisiert durch das Trennkontaktsystem MK. Mit Trennfunktion sind die Punkte: -Mindestluftstrecke nach Norm (Mindestabstand der Kontakte), -Kontaktstellungsanzeige der Kontakte des mechanischen Trenn- kontaktsystem, -Betätigung des mechanischen Trennkontaktsystem immer möglich (keine Blockierung des Trennkontaktsystems), gemeint .
Hinsichtlich der Mindestluftstrecke zwischen den Kontakten des Trennkontaktsystem ist diese im Wesentlichen spannungsab- hängig. Weitere Parameter sind der Verschmutzungsgrad, die Art des Feldes (homogen, inhomogen), und der Luftdruck bzw. die Höhe über Normalnull.
Für diese Mindestluftstrecken bzw. Kriechstrecken gibt es entsprechende Vorschriften bzw. Normen. Diese Vorschriften geben beispielsweise bei Luft für eine Stoßspannungsfestig- keit die Mindestluftstrecke für ein inhomogenes und ein homo- genes (ideales) elektrisches Feld in Abhängigkeit vom Ver- schmutzungsgrad an. Die Stoßspannungsfestigkeit ist die Fes- tigkeit beim Anlegen einer entsprechenden Stoßspannung. Nur bei Vorliegen dieser Mindestlänge (Mindeststrecke) weist das Trennkontaktsystem bzw. Schutzschaltgerät eine Trennfunktion (Trennereigenschaft) auf.
Im Sinne der Erfindung sind hierbei für die Trennerfunktion und deren Eigenschaften der Normenreihe DIN EN 60947 bzw. IEC 60947 einschlägig, auf die hier durch Referenz Bezug genommen wird.
Das Trennkontaktsystem ist vorteilhafterweise durch eine Min- destluftstrecke der geöffneten Trennkontakte in der Aus- stellung (Geöffnet Stellung, geöffnete Kontakte) in Abhängig- keit von der Bemessungsstoßspannungsfestigkeit und dem Ver- schmutzungsgrad gekennzeichnet. Die Mindestluftstrecke be- trägt insbesondere zwischen (im Minimum) 0,01 mm und 14 mm. Insbesondere beträgt vorteilhafterweise die Mindestluftstre- cke zwischen 0,01 mm bei 0,33 kV und 14 mm bei 12 kV, insbe- sondere für Verschmutzungsgrad 1 sowie insbesondere für inho- mogene Felder.
Vorteilhafterweise kann die Mindestluftstrecke die folgenden Werte aufweisen:
Figure imgf000022_0002
Tabelle13-Mindestluftstrecken
Figure imgf000022_0001
Die Verschmutzungsgrade und Feldarten entsprechen den in den Normen definierten. Dadurch lässt vorteilhafterweise ein ent- sprechend der Bemessungsstoßspannungsfestigkeit dimensionier- tes normgerechtes Schutzschaltgerät erzielen.
Figur 2 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 1, mit einer wei- teren detaillierten Ausgestaltung. Hierbei weist die Steue- rungseinheit SE zwei Teileinheiten auf, eine, bevorzugt ana- loge, erste Teileinheit SEA und eine, bevorzugt digitale, zweite Teileinheit SED. Die erste Teileinheit SEA weist hier- bei einen Stromkomparator CI auf. Diesem werden einerseits die momentanen Stromänderungswertee DI des Stromsensors SI zu- geführt. Andererseits werden dem Stromkomparator CI die momentanen Stromänderungsschwellwerte SWI von der zweiten Teileinheit SED zugeführt.
Der Stromkomparator CI vergleicht die momentanen Stromände- rungswerte DI mit den momentanen Stromänderungsschwellwerte SWI und gibt, wie beschrieben, bei Überschreitung, ein erstes
Stromunterbrechungssignal TI, zur Initiierung einer Unterbre- chung des Niederspannungsstromkreises, ab.
Das Stromunterbrechungssignal TI kann einer Logikeinheit LG zugeführt werden, die es mit anderen Unterbrechungssignalen kombiniert und das erste Unterbrechungssignal TRIP zur halb- leiterbasierten Unterbrechung bzw. hochohmigen Unterbrechung an die elektronische Unterbrechungseinheit EU abgibt.
In einer Ausgestaltung speichert der Stromkomparator CI die momentanen Schwellwerte SWI zwischen, um die Werte ständig zur Verfügung zu haben.
Wobei die momentanen Stromänderungsschwellwerte SWI mit dem zeitlichen Verlauf der momentanen Spannungswerte (dem zeitli- chen Verlauf der Spannung) synchronisiert sind. Dadurch wer- den bei kleiner momentaner Spannung (Phasenwinkel einer si- nusförmigen Wechselspannung von z.B. -30° bis 0° bis 30°) kleine momentane Stromänderungsschwellwerte SWI verwendet (bzw. liegen vor) und bei hoher momentaner Spannung (Phasen- winkel einer sinusförmigen Wechselspannung von z.B. 60° bis 90° bis 120°) hohe Stromänderungsschwellwerte SWI verwendet (bzw. liegen vor), so dass die Auslösezeit weitestgehend un- abhängig vom Phasenwinkel der Spannung ist, so dass die Aus- lösezeit unter dem zeitlich ersten Schwellwert liegt.
Die momentanen Stromänderungswerte DI werden zudem der zwei- ten Teileinheit SED zugeführt. In einer bevorzugten Ausge- staltung werden die momentanen Stromänderungswerte DI dort durch einen Analog-Digital-Umsetzer ADC digitalisiert und ei- nem Mikroprozessor CPU zugeführt. Dieser führte eine Ermitt- lung bzw. Berechnung der momentanen Stromänderungsschwell- werte SWI durch. Die durch die zweite Teileinheit SED bzw. insbesondere den Mikroprozessor CPU ermittelten momentanen Stromänderungsschwellwerte SWI werden wiederum der ersten Teileinheit SEA zugeführt, insbesondere dem Stromkomparator CI, um den oben beschriebenen Vergleich durchzuführen.
Dabei kann vorteilhaft die Ermittlung der momentanen Stromän- derungsschwellwerte SWI in der zweiten Teileinheit SED digi- tal erfolgen bzw. mit einer langsameren Verarbeitungsgeschwindigkeit als der fortlaufende Vergleich von momentanen Stromänderungswerte DI mit den momentanen Stromänderungsschwellwerte SWI in der ersten Teileinheit SEA.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die erste Teileinheit SEA einen Spannungskomparator CU aufweisen. Diesem werden einerseits die momentanen Spannungswerte DU des Spannungssensors SU zugeführt. Andererseits werden dem Span- nungskomparator CU momentane Spannungsschwellwerte SWU von der zweiten Teileinheit SED zugeführt.
Der Spannungskomparator CU vergleicht die momentanen Span- nungswerte DU mit den momentanen Spannungsschwellwerten SWU und gibt bei Überschreitung oder Unterschreitung bzw. Be- reichsprüfung ein Spannungsunterbrechungssignal TU zur Initi- ierung einer Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises ab.
Das Spannungsunterbrechungssignal TU kann der Logikeinheit LG zugeführt werden, die es mit dem(n) (anderen) Unterbrechungs- signal (en) kombiniert und das erste Unterbrechungssignal TRIP zur halbleiterbasierten Unterbrechung bzw. hochohmigen Unter- brechung an die elektronische Unterbrechungseinheit EU ab- gibt.
In einer Ausgestaltung speichert der Spannungskomparator CU die momentanen Schwellwerte SWU zwischen, um die Werte stän- dig zur Verfügung zu haben.
In dieser Ausgestaltung können die momentanen Spannungswerte DU zudem der zweiten Teileinheit SED zugeführt werden. In ei- ner weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die momentanen Spannungswerte DU dort durch den Analog-Digital-Umsetzer ADC digitalisiert und dem Mikroprozessor CPU zugeführt. Dieser führt eine Ermittlung bzw. Berechnung der momentanen Span- nungsschwellwerte SWU durch. Die durch die zweite Teileinheit SED bzw. insbesondere den Mikroprozessor CPU ermittelten mo- mentanen Spannungsschwellwerte SWU werden wiederum der ersten Teileinheit SEA zugeführt, insbesondere dem Spannungskompara- tor CU, um den oben beschriebenen Vergleich durchzuführen. Dabei kann vorteilhaft die Ermittlung der momentanen Span- nungsschwellwerte SWU in der zweiten Teileinheit SED digital erfolgen bzw. mit einer langsameren Verarbeitungsgeschwindig- keit als der fortlaufende Vergleich von momentanen Spannungs- werten DU und momentanen Spannungsschwellwerten SWU in der ersten Teileinheit SEA.
Je nach Ausgestaltung kann ein zweites Unterbrechungssignal TRIPG von der zweiten Teileinheit SED der Steuerungseinheit SE, insbesondere vom Mikroprozessor CPU, zur galvanischen Un- terbrechung des Niederspannungsstromkreises an das mechani- sche Trennkontaktsystem MK abgegeben werden, wie in Figur 2 eingezeichnet .
Die Ausgestaltung der Steuerungseinheit mit einer analogen ersten Teileinheit und eine digitale zweiten Teileinheit hat den besonderen Vorteil, dass eine effiziente Architektur vor- liegt. Die erste analoge Teileinheit kann einen sehr schnel- len Vergleich von momentanen Werten und Schwellwerten durch- führen, wodurch eine schnelle Kurzschlusserkennung möglich ist. Die zweite Teileinheit kann eine davon unabhängige Schwellwertberechnung bzw. Anpassung durchführen, die nicht so schnell wie die Erkennung durchgeführt werden muss. Die Schwellwerte können beispielsweise zwischengespeichert wer- den, um für einen schnellen Vergleich zur Verfügung zu ste- hen. Die Schwellwerte müssen nicht ständig angepasst werden.
Durch die Kombination von Stromänderungswerten und Spannungs- werten kann zudem eine höhere Auswertesicherheit erreicht werden.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung bzw. Variante gemäß Figur 1 und Figur 2. Figur 3 zeigt einen Teil einer einfachen Variante der, bevorzugt analogen, ersten Teileinheit SEAE und einen Teil einer alternative Variante der, bevorzug digita- len, zweiten Teileinheit SEDE auf.
Der Teil der einfachen Variante der ersten Teileinheit SEAE weist den Stromkomparator CIE auf, dem die momentanen Stromänderungswerte DI, insbesondere deren Betrag, und die momentanen Stromänderungsschwellwerte SWI, insbesondere ebenso betragsbezogen, zugeführt werden. Der Stromkomparator CIE gibt in diesem Beispiel direkt das erste Unterbrechungs- signal TRIP zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises ab, analog zu Figur 2. Die Betragsbildung kann durch eine o- der weitere, nicht dargestellte Einheiten erfolgen.
Der Teil der alternativen Variante der zweiten Teileinheit SEDE weist eine Netzsynchronisationseinheit NSE auf. Dieser werden die (analogen) momentanen Spannungswerte DU zugeführt. Die Netzsynchronisationseinheit NSE ermittelt aus den zuge- führten (analogen) momentanen Spannungswerte DU, die z.B. eine sinusförmige Wechselspannung des Niederspannungsstrom- kreises sind, den Phasenwinkel φ (t) der Spannung.
Alternativ kann zusätzlich noch die Amplitude U und ein er- warteter Zeitwert der Spannung UE respektive Erwartungswert der Spannung UE ermittelt werden.
Der Erwartungswert der Spannung UE ist hierbei eine Art ge- filterter bzw. regenerierter bzw. erzeugter äquivalenter mo- mentaner Spannungswert DU.
Der Phasenwinkel φ (t) (als auch der Erwartungswert der Span- nung UE bzw. die Amplitude U) der Spannung DU können bei- spielsweise durch eine so genannte Phase Locked Loop respek- tive Phasenregelschleife, kurz PLL, ermittelt werden. Eine PLL ist eine elektronische Schaltungsanordnung, die die Pha- senlage und damit zusammenhängend die Frequenz eines verän- derbaren Oszillators über einen geschlossenen Regelkreis so beeinflusst, dass die Phasenabweichung zwischen einem äußeren periodischen Referenzsignal (momentane Spannungswerte) und dem Oszillator oder einem daraus abgeleiteten Signal mög- lichst konstant ist.
Damit kann u.a. der Phasenwinkel φ (t), die Grundfrequenz und deren Amplitude der zugeführten Netzspannung, d.h. der ermit- telten Spannungswerte, ermittelt werden, d.h. z.B. auch der (ungestörte bzw. gefilterte) Erwartungswert der (Netz-)Span- nung. Der von der Netzsynchronisationseinheit NSE ermittelte Pha- senwinkel φ (t) (und eventuell die Amplitude U oder/und der erwartete Zeitwert der Spannung UE) werden einer Schwellwert- einheit SWE zugeführt. Die Schwellwerteinheit SWE kann eine (skalierte) Kurve für die (phasenbezogenen) momentanen Stro- mänderungsschwellwerte SWI aufweisen. Beispielsweise bei ei- ner sinusförmigen Wechselspannung des Niederspannungsstrom- kreis eine (annähernd) sinusförmige Stromänderungsschwell- wertkurve, d.h. einen in der Höhe sinusförmigen Verlauf der momentanen Stromänderungsschwellwerte SWI über den Phasenwin- kel 0° bis 360° respektive der Periodendauer (bzw. der (kor- respondierenden) Zeit).
Das Schutzschaltgerät SG kann ein, insbesondere einziges, Einstellelement aufweisen. Mit diesem, insbesondere einzigen Einstellelement am Schutzschaltgerät SG, kann ein Grenzwert für den Stromanstieg einstellbar sein. Alternativ kann der Grenzwert für den Stromanstieg auch fest vorgeben bzw. pro- grammiert sein.
Erfindungsgemäß wird dann die Stromänderungsschwellwertkurve hinsichtlich dieses mittels des Einstellelementes eingestell- ten bzw. fest vorgegebenen Grenzwertes für den Stromanstieg skaliert. Beispielsweise kann die Amplitude (d.h. der Maxi- malwert) der Stromänderungsschwellwertkurve mit dem Grenzwert für den Stromanstieg skaliert werden.
Beispielsweise kann der Grenzwert für den Stromanstieg im Be- reich 0,1 A/ps bis 5 A/ps einstellbar sein bzw. fest vorgege- ben sein. Insbesondere Werte von 0,1 A/ps bis 1 A/ps sind für schwächere Netze (typischerweise 0,5 bis 4 kA Anschlussleis- tung) besonders vorteilhaft. Insbesondere Werte von 1 A/ps bis 5 A/ps sind für stärkere/starre Netze (typischerweise 6 bis 36 kA Anschlussleistung) besonders vorteilhaft.
Erfindungsgemäß wird der Grenzwert für den Stromanstieg ab- hängig von am netzseitigen Anschluss des Schutzschaltgerätes angeschlossenen Teil des Niederspannungsstromkreises einge- stellt. D.h. Netzseite, insbesondere Energiequellenseite, be- stimmt erfindungsgemäß die Höhe des Grenzwertes für den Stromanstieg (und nicht, wie sonst üblich, die Lastseite bzw. Verbraucherseite), um eine schnelle Kurzschlusserkennung zu ermöglichen. Insbesondere ist der Grenzwert durch die netz- seitigen Induktivitäten bzw. ohmschen Anteile bzw. die Ein- speiseleistung (treibende Energie) bestimmt. Z.B. für ein 10 kA Netz bzw. Niederspannungswechselstromkreis mit Induktivi- täten von etwa 50pH beträgt im Kurzschlussfall bei 300 Volt momentanen Spannungswert der Stromanstieg etwa 6 A/ps. D.h. mit einem eingestellten (maximalen) Grenzwert für den Strom- anstieg von 5 A/ps für z.B. die Amplitude (bei 325 V) (bzw. besser 1 A/ps) und einer entsprechenden Skalierung der Kurve würde bei 300 Volt mit einem Winkel von etwa 67° der Stromän- derungsgrenzwert 4,6 A/ps (bei 5 A/ps @ 325 V)) (oder 0,92 A/ps (bei 1 A/ps @ 325 V)) betragen. D.h. bei einem derarti- gen Kurzschlussereignis würde der Stromkreis sicher und schnell unterbrochen.
Z.B. für ein 6 kA Netz bzw. Niederspannungswechselstromkreis mit Induktivitäten von etwa 100 pH beträgt im Kurzschlussfall bei 300 Volt momentanen Spannungswert der Stromanstieg etwa 3 A/ps. D.h. mit einem eingestellten (maximalen) Grenzwert für den Stromanstieg von 1 A/ps und einer entsprechenden Skalie- rung der Kurve würde bei 300 Volt mit einem Winkel von etwa 67° der Stromänderungsgrenzwert 0,92 A/ps (bei 1 A/ps) betra- gen. D.h. bei einem derartigen Kurzschlussereignis im 6 kA Netz würde der Stromkreis sicher und schnell unterbrochen. Bei kleineren Netzen mit 1 und 2 kA mit entsprechend (kleine- ren) angepassten Werten.
Die momentanen Stromänderungsschwellwerte SWI können durch das Vorliegen des Phasenwinkels φ (t) der Spannung in der Schwellwerteinheit SWE von dieser synchron zum momentanen Stromänderungswert DI an den Stromkomparator CIE übermittelt werden, so dass ein phasenbezogener (phasenwinkelbezogener) Vergleich zwischen momentanen Stromänderungswert DI und mo- mentanen Stromänderungsschwellwert SWI erfolgen kann.
Figur 4 zeigt einerseits den Verlauf der Höhe der Spannung
Vgrid in Volt [V], auf der linken vertikalen Achse, einer Periode einer sinusförmigen Wechselspannung über der Zeit t in s [s], auf der horizontalen Achse. Beispielsweise einer sinusförmigen Wechselspannung im Niederspannungswechselstrom- kreis. Hierbei sind die momentanen Spannungswerte der Span- nung über der Zeit angegeben, wobei die Zeit proportional zum Phasenwinkel ist (f = 50 Hz).
Andererseits einen phasenwinkelbezogenen bzw. phasenwinkelab- hängigen (betragsmäßigen) skalierten (0 bis 1) momentanen Stromänderungsschwellwert threshold, auf der rechten vertika- len Achse, über der Zeit t in s [s]. Der zeitliche (ska- lierte) Verlauf der momentanen Stromänderungsschwellwerte threshold entspricht dabei den (phasenbezogenen) momentanen Stromänderungsschwellwerten SWI.
Der zeitliche (skalierte) Verlauf der momentanen Stromände- rungsschwellwerte threshold wird entsprechend dem mittels des Einstellelementes eingestellten bzw. fest vorgegebenen Grenz- wertes für den Stromanstieg erfindungsgemäß skaliert. Z.B. wird die Amplitude (Skalierung 1) auf 5 A/ps eingestellt.
Im Allgemeinen entspricht der Verlauf der momentanen Stromän- derungsschwellwerte threshold dem Verlauf der Spannung im Stromkreis, wie in Figur 4 dargestellt. D.h. beispielsweise bei einem dreieckigen Spannungsverlauf würde eine dreieckige Stromänderungsschwellwertkurve verwendet werden. Der Hinter- grund ist der, dass die Höhe der Spannung die Höhe des (Kurz- schluss-)Stromanstieges bestimmt. Erfindungsgemäß werden folglich bei niedriger Spannung niedrige Schwellwerte und bei hoher Spannung hohe Schwellwerte verwendet, um eine schnelle, phasenwinkelunabhängige, Kurzschlusserkennung zu ermöglichen. Durch die Verwendung von Stromänderungswerten, d.h. die Ände- rung der Höhe des Stromes nach der Zeit, d.h. das di/dt, ist man erfindungsgemäß zudem unabhängig von der absoluten Strom- höhe.
Gemäß Figur 4 weisen die (periodischen) momentanen Stromände- rungsschwellwerte SWI einen Minimalwert auf. D.h. die Sinus- kurve ist nicht ideal. Der Minimalwert ist größer als Null. Der Minimalwert ist im Bereich 5 bis 20% vom Maximalwert, beispielsweise (bei) 10% oder 15 %, d.h. der Amplitude der Stromänderungsschwellwertkurve threshold.
Der Minimalwert tritt an die Stelle bzw. im Bereich des Null- durchganges der (Sinus-)Kurve für die Stromänderungsschwell- werte.
Bei einem zeitlich sinusförmigen Spannungsverlauf im Nieder- spannungswechselstromkreis sind die zeitlichen Verläufe von Spannung und Stromänderungsschwellwerten phasenbezogen derart synchronisiert, dass der Zeitpunkt der Amplitude (Maximal- wert) der Spannung mit dem Zeitpunkt der Amplitude (Maximal- wert) des Stromänderungsschwellwertes übereinstimmt, wie in Figur 4 gezeigt.
Der Bereich des Nulldurchganges der Spannung stimmt ferner mit dem Bereich des Minimalwertes des Stromänderungsschwell- wertes überein.
Figur 5 zeigt Verläufe von Strom I in Ampere A (oben) und Spannung U in Volt V (unten) - auf der vertikalen y-Achse - über der Zeit t in Sekunden s - auf der horizontalen x-Achse. Dargestellt ist der simulierte Vergleich des zeitlichen Ver- laufs ERF der vorgestellten Erfindung gegenüber dem zeitli- chen Verlauf KLA einer einfachen (klassischen) Überstromab- schaltung. Ein Kurzschluss tritt bei t=145ms ein. Der Strom I steigt mit hoher Steilheit an und gleichzeitig bricht die ge- messene Spannung U sprunghaft ein.
Der zeitliche Verlauf KLA der einfachen Überstromabschaltung, welche bei Überschreiten von 200 A den Stromfluss unter- bricht. Aufgrund von Latenzen und Abschaltzeiten steigt der Strom jedoch nach Überschreiten des Grenzwertes kurzzeitig weiter an.
Der zeitliche Verlauf ERF der erfindungsgemäßen Kurz- schlusserkennung basiert auf der Erkennung der phasenwinkel- bezogenen Höhe der Stromänderung, die durch phasengenauen Vergleich phasenwinkelbezogenen mit Stromänderungsschwellwerten erfolgt, wobei die phasenwinkel- bezogenen Stromänderungsschwellwerte mit der (treibenden) Spannung synchronisiert sind.
Die Phasenwinkelauflösung bestimmt die Schnelligkeit der Be- rechnung der Schwellwerte. Bei einer Phasenwinkelauflösung von 1°, d.h. für jeden vollen Phasenwinkel der Spannung liegt ein Schwellwert vor, d.h. etwa alle 55,5 ps liegt ein momen- taner Schwellwert vor. Die Abschaltung erfolgt über bevorzugt über einen analogen Komparator, d.h. kontinuierlich, und ist damit deutlich schneller (z.B. im Nanosekunden-Bereich) als die Phasenwinkelauflösung.
Alternativ gilt bei einer voll digitalen Verarbeitung der folgende zeitliche Verlauf. Die Phasenwinkelauflösung be- stimmt die Schnelligkeit der Erkennung. Bei einer Phasenwin- kelauflösung von 1°, d.h. für jeden vollen Phasenwinkel der Spannung liegt ein Schwellwert vor, d.h. etwa alle 55,5 ps liegt ein momentaner Schwellwert vor, bedeutet dies, dass ei- ne Abschaltung nach minimal ca. 60ps erfolgen kann. Bei höhe- ren Phasenwinkelauflösungen lassen sich kürzere Abschaltzei- ten erreichen.
In diesem Beispiel erfolgt dann eine Verarbeitung der Werte mit mindestens 18 kHz.
Die Stromänderungsschwellwerte können auch (skaliert) in ei- ner Tabelle abgelegt sein, wobei dann der Wert ggfs. ange- passt wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und an- dere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet wer- den, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Schutzschaltgerät (SG) zum Schutz eines elektrischen Nie- derspannungsstromkreis aufweisend:
- ein Gehäuse (GEH) mit netzseitigen (LI, NI) und lastseiti- gen (L2, N2) Anschlüssen für Leiter des Niederspannungswech- selstromkreises,
- einen Spannungssensor (SU), zur Ermittlung der Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises, derart das momen- tane Spannungswerte (DU) vorliegen,
- einen Stromsensor (SI), zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises, derart das momentane Strom- werte vorliegen,
- einer elektronischen Unterbrechungseinheit (EU), die durch halbleiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Unterbrechung und einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungs- stromkreis aufweist,
- einer Steuerungseinheit (SE), die mit dem Spannungssensor (SU), dem Stromsensor (SI) und der Unterbrechungseinheit (EU) verbunden ist, dass das Schutzschaltgerät (SG) derart ausgestaltet ist,
- dass bei einer Erkennung eines lastseitigen Kurzschlusses die elektronische Unterbrechungseinheit (EU) vom niederohmi- gen Zustand in den hochohmigen Zustand zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises wechselt, wobei dieser Vorgang eine Auslösezeit vom Kurzschlussereignis bis zum hochohmigen Zustand aufweist, dass die Auslösezeit kleiner als ein zeitlicher erster Schwellwert ist.
2. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösezeit über eine volle Periodendauer der Span- nung kleiner als der erste zeitliche Schwellwert ist, insbe- sondere dass bei kleiner momentaner Spannung und bei großer momentaner Spannung annähernd die gleichen Auslösezeiten er- reichbar sind.
3. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein, insbesondere einziges, Einstellelement am Schutz- schaltgerät vorgesehen ist, mit dem ein Grenzwert für den Stromanstieg einstellbar ist, um den Grenzwert für die Kurz- schlusserkennung einzustellen.
4. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert für den Stromanstieg abhängig von am netz- seitigen Anschluss (11, NI) des Schutzschaltgerätes ange- schlossenen Teil des Niederspannungsstromkreises eingestellt wird.
5. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den momentanen Stromwerten die Änderung des Stromes nach der Zeit ermittelt wird, so dass momentane Stromände- rungswerte (DI) vorliegen.
6. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom, insbesondere periodischen, zeitlichen Verlauf der momentanen Spannungswerte abhängige, insbesondere periodi- sche, momentane Stromänderungsschwellwerte (SWI) vorliegen.
7. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die momentanen Stromänderungswerte (DI) phasenbezogen mit den momentanen Stromänderungsschwellwerten (SWI) vergli- chen werden, dass bei Überschreitung des momentanen Stromän- derungsschwellwertes (SWI) eine Unterbrechung des Niederspan- nungsstromkreises initiiert wird.
8. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die, insbesondere periodischen, momentanen Stromände- rungsschwellwerte (SWI) einen Minimalwert aufweisen, der grö- ßer als Null ist, insbesondere größer als 5 bis 20% vom Maxi- malwert ist.
9. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederspannungswechselstromkreis einen zeitlich si- nusförmigen Spannungsverlauf aufweist, dass die momentanen Stromänderungsschwellwerte (SWI) einen zeitlich, insbesondere betragsmäßigen, sinusförmigen Stromän- derungsverlauf mit einem Minimalwert, der größer als Null ist, aufweisen, dass die zeitlichen Verläufe von Spannung (DU) und Stromände- rungsschwellwerten (SWI) phasenbezogen derart synchronisiert sind, dass der Zeitpunkt der Amplitude der Spannung (DU) mit dem Zeitpunkt der Amplitude des Stromänderungsschwellwertes (SWI) übereinstimmt.
10. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Nulldurchganges der Spannung (DU) mit dem Bereich des Minimalwertes des Stromänderungsschwellwertes (SWI) übereinstimmt.
11. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überschreitung der Stromänderungsschwellwerte (SWI) für eine erste Zeitspanne vorliegen muss, um eine Unterbre- chung des Niederspannungsstromkreises zu initiieren.
12. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät (SG) derart ausgestaltet ist, dass die Steuerungseinheit eine analoge erste Teileinheit (SEA) und eine digitale zweite Teileinheit (SED) aufweist, dass die erste Teileinheit (SEA) einen Stromkomparator (CI) aufweist, dem die momentanen Stromänderungswerte (DI) und die momentanen Stromänderungsschwellwerte (SWI) von der zweiten Teileinheit (SED) zugeführt werden, zum auf den zeitlichen Verlauf der Spannung phasenbezogenen Vergleich der momentanen Stromänderungswerte (DI) mit den momentanen Stromänderungs- schwellwerten (SWI) und Initiierung einer Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises bei Überschreitung der Stromände- rungsschwellwerte (SWI).
13. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät (SG) derart ausgestaltet ist, dass eine Netzsynchronisationseinheit (NSE) vorgesehen ist, die aus dem zugeführten momentanen Spannungswerten (DU) einen Phasenwinkel (φ (t)) der Spannung ermittelt, dass eine Schwellwerteinheit (SWE) vorgesehen ist, die mit der Netzsynchronisationseinheit (NSE) und dem Einstellelement verbunden ist, so dass mit dem Phasenwinkel (φ (t)) der Span- nung und einem eingestellten bzw. programmierten Grenzwert für den Stromanstieg momentane Stromänderungsschwellwerte (SWI) ermittelt werden, dass die momentanen Stromänderungswerte (DI) phasenbezogen mit den momentanen Stromänderungsschwellwerten (SWI) vergli- chen werden zur Ermittlung der Initiierung einer Unterbre- chung.
14. Schutzschaltgerät (SG) nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanisches Trennkontaktsystem (MK) vorgesehen ist, das in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) geschaltet ist, so dass eine galvanische Trennung im Niederspannungsstromkreis geschaltet werden kann, dass das mechanische Trennkontaktsystem (MK) mit der Steue- rungseinheit (SE) verbunden ist.
15. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass neben einer Unterbrechung durch die elektronische Unter- brechungseinheit (EU) auch eine galvanische Unterbrechung durch das mechanische Trennkontaktsystem (MK) initiiert wird.
16. Schutzschaltgerät (SG) nach Patentanspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei hochohmiger bzw. hochohmig geschalteter elektroni- scher Unterbrechungseinheit (EU) und einem Strom im Nieder- spannungsstromkreis, der einen ersten Stromschwellwert über- schreitet, eine galvanische Trennung initiiert wird.
17. Verfahren zum Schutz eines elektrischen Niederspannungs- stromkreis, bei dem die:
- die Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises in Form von momentanen Spannungswerte (DU) ermittelt wird,
- die Änderung des Stromes nach der Zeit ermittelt wird, so dass momentane Stromänderungswerte (DI) vorliegen,
- dass die momentane Stromänderungswerte (DI) mit momentanen Stromänderungsschwellwerten (SWI) zur Erkennung eines Kurz- schlusses im Niederspannungsstromkreis verglichen werden und bei einer Überschreitung der Stromänderungsschwellwerte (SWI) eine elektronische Unterbrechungseinheit (EU) vom niederohmi- gen Zustand in den hochohmigen Zustand zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises wechselt, wobei dieser Vorgang eine Auslösezeit vom Kurzschlussereignis bis zum hochohmigen Zustand aufweist, dass die Auslösezeit kleiner als ein zeitlicher erster Schwellwert ist.
18. Verfahren nach Patentanspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die momentanen Stromänderungswerte (DI) phasenbezogen mit den momentanen Stromänderungsschwellwerten (SWI) vergli- chen werden, wobei die momentanen Stromänderungsschwellwertes (SWI) mit dem zeitlichen Verlauf der momentanen Spannungswer- te (DU) synchronisiert sind, so dass bei kleiner momentaner Spannung kleine momentane Stromänderungsschwellwerte und bei hoher momentaner Spannung hohe Stromänderungsschwellwerte vorliegen, so dass die Auslösezeit weitestgehend unabhängig vom Phasenwinkel der Spannung ist, so dass die Auslösezeit unter dem zeitlich ersten Schwellwert liegt.
19. Verfahren nach Patentanspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die momentanen Stromänderungsschwellwerte (SWI) einen Minimalwert aufweisen, der größer als Null ist, insbesondere größer als 5 bis 20% vom Maximalwert ist.
20. Verfahren nach Patentanspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem zeitlich sinusförmigen Spannungsverlauf im Niederspannungswechselstromkreis die momentanen Stromände- rungsschwellwerte (SWI) einen zeitlich, insbesondere betrags- mäßigen, sinusförmigen Stromänderungsverlauf mit einem Mini- malwert, der größer als Null ist, aufweisen, dass die zeitlichen Verläufe von Spannung (DU) und Stromände- rungsschwellwerten (SWI) phasenbezogen derart synchronisiert sind, dass der Zeitpunkt der Amplitude der Spannung (DU) mit dem Zeitpunkt der Amplitude des Stromänderungsschwellwertes (SWI) übereinstimmt.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20240055197A1 (en) 2020-12-21 2024-02-15 Siemens Aktiengesellschaft Protective switching device and method
US11978606B2 (en) * 2022-07-29 2024-05-07 Rockwell Automation Technologies, Inc. Systems and methods for modifying solid-state breaker operations based on load profiles

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3611043A (en) 1970-07-16 1971-10-05 Gen Electric Protective circuit for static switch
DE102007006564A1 (de) * 2007-02-09 2008-08-14 Siemens Ag Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter
GB2520529A (en) 2013-11-22 2015-05-27 Eaton Ind Netherlands Bv Circuit breaker with hybrid switch
US20200365346A1 (en) * 2019-05-18 2020-11-19 Amber Solutions, Inc. Intelligent circuit breakers with solid-state bidirectional switches

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016123955A1 (de) 2016-12-09 2018-06-14 Eaton Industries (Austria) Gmbh Niederspannungs-Schutzschaltgerät
DE102019213604A1 (de) 2019-09-06 2021-03-11 Siemens Aktiengesellschaft Schutzschaltgerät, Schutzschaltsystem und Verfahren

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3611043A (en) 1970-07-16 1971-10-05 Gen Electric Protective circuit for static switch
DE102007006564A1 (de) * 2007-02-09 2008-08-14 Siemens Ag Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter
GB2520529A (en) 2013-11-22 2015-05-27 Eaton Ind Netherlands Bv Circuit breaker with hybrid switch
US20200365346A1 (en) * 2019-05-18 2020-11-19 Amber Solutions, Inc. Intelligent circuit breakers with solid-state bidirectional switches

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