DE10117339C1 - Schutzschaltsystem mit Zweigschaltern mit Hilfsschalterfunktion, oder mit jeweils angebautem Hilfsschalter - Google Patents

Abstract

Einer Gruppe von Zweigschaltern (1) ist jeweils eine zentrale Einrichtung zur Stromerfassung (3) vorgeordnet. Diese ist mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (4) verbunden, die auch Anschlüsse (5) für die Hilfsschalter aufweist. Die Verarbeitungseinheit (4) ist dafür ausgelegt, ab einer charakteristischen Änderung der Stromstärke in einem Zeitfenster (t2) nach einer Abstandszeit (t1) ein Schaltsignal eines Hilfsschalters (HS1 bis HS5) zu erfassen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schutzschaltsystem mit Zweigschaltern, die als Schutzschalter mit Hilfsschalterfunk­ tion oder mit jeweils angebautem Hilfsschalter ausgeführt sind, wobei einer in Baumstruktur angeordneten Gruppe von Zweigschaltern eine zentrale Einrichtung zur Stromerfassung vorgeordnet ist, wobei die Einrichtung zur Stromerfassung mit einer Verarbeitungseinheit verbunden ist. Auf ein derartiges Schutzschaltsystem bezieht sich beispielsweise die EP 0 274 639 B1.

In elektrischen Anlagen und Verteilungen sind Schalt- und Schutzeinrichtungen eingesetzt, die die zulässigen Maximal­ werte nur selten schalten brauchen. So muss das sogenannte Bemessungsschaltvermögen entsprechend den Vorschriften nur selten erfüllt werden (nach EN 60898 nur zweimal). Anderer­ seits können in elektrischen Anlagen unkontrolliert Kurz­ schlüsse an einer Stelle häufiger auftreten, ohne dass dies bemerkt wird, da über die Höhe des Überstroms nach ordnungs­ gemäßem Abschalten eines Schutzschaltgerätes, beispielsweise eines Leitungsschutzschalters, keine Informationen vorliegen. Aus wirtschaftlichen Gründen möchte man vermeiden, jedem Schutzschalter einen entsprechenden Detektor zur Stromerfas­ sung zuzuordnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das aus der EP 0 274 639 B1 bekannte Schutzschaltsystem so weiterzuentwi­ ckeln, dass belastete Schaltgeräte erkennbar und ihre Belas­ tungen auswertbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach der Erfindung durch ein Schutzschaltsystem mit den Merkmalen im Anspruch 1.

Hierbei ist einer Gruppe von Zweigschaltern jeweils eine Ein­ richtung zur Stromerfassung zentral vorgeordnet, die ein Teil eines vorgeordneten Gruppenschalters ist. Die Einrichtung zur Stromerfassung ist mit einer zentralen Verarbeitungseinheit verbunden, die auch Anschlüsse für die Hilfsschalter auf­ weist. Hierbei ist die zentrale Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, ab einer charakteristischen Änderung der Strom­ stärke während eines Zeitfensters t2 nach einer Abstandszeit t1 ein Schaltsignal eines der Hilfsschalter zu erfassen.

Bei der üblichen Baumstruktur der letzten Verteilungsebene verursacht ein Kurzschlussstrom in einem Zweig der Verteilung auch eine deutliche Stromerhöhung in der vorgeordneten Zulei­ tung und einem zugehörigen Gruppenschalter, die mit Hilfe der zentralen Einrichtung zur Strommessung erfasst werden kann. Selbst in vermaschten Netzen weist die letzte oder vor­ letzte Verteilungsebene in der Regel eine Baumstruktur auf, so dass ein System von Zweigschaltern und vorgeordneten Grup­ penschaltern vorliegt. Durch Vergleich des Zeitpunkts für das Auftreten eines bestimmten, großen Überstromes mit dem Zeit­ punkt der Schalthandlung lässt sich der belastete Schutz­ schalter ermitteln.

Als charakteristische Änderung der Stromstärke kann im ein­ fachsten Fall das Überschreiten eines Schwellwerts dienen.

Die zentrale Verarbeitungseinheit kann dafür ausgelegt sein, Schaltsignale, die den Hilfsschaltern und damit dem Schutz­ schalter zugeordnet sind, zu zählen. Hierdurch lassen sich Schalthandlungen auswerten, die als Einzelfall gesehen keine Belastung darstellen, die ein Auswechseln eines Schalters er­ forderlich machen könnten. Die Verarbeitungseinheit kann wei­ ter dafür ausgelegt sein, zum Schaltsignal eines Hilfsschal­ ters eine für die Ausschaltbelastung charakteristische Größe abzuspeichern. Als charakteristische Größe kann ein I²t-Wert (Strom-Quadrat-Zeit-Wert) dienen.

Die zentrale Verarbeitungseinheit kann die Erfassung des Schaltsignals eines Hilfsschalters während eines Zeitfens­ ters t2 in einer UND-Verbindung mit dem invertierten Schalt­ signal des Hilfsschalters als Zählimpuls abspeichern. Dies ermöglicht eine besonders einfache Erfassung und Auswertung.

Nach einer Weiterbildung kann außer der Erfassung des Schalt­ signals des Hilfsschalters auch eine Einrichtung zur Erfas­ sung eines fehlerabhängigen Schaltens vorgesehen sein. Ein Fehlersignalschalter ändert seinen Signalzustand nur dann, wenn der zugeordnete Schutzschalter infolge eines erkannten Überstromfehlers, der eine Langzeitüberlastung oder ein Kurz­ schlussstrom sein kann, ausgeschaltet hat.

So können Überspannungen oder Überströme, die zum Ansprechen der vorgesehenen Auslöser geführt haben, erfasst werden:

• - Summensignal und Fehlersignal, alle verbunden durch eine UND-Verknüpfung, lassen eine Kurzschlussauslösung am loka­ lisierten Schalter/Schutzschalter erkennen.
• - Kein Summensignal und ein vorliegendes Fehlersignal, alle verbunden durch eine UND-Verknüpfung, lassen sich als Überlastauslösung am lokalisierten Schalter/Schutzschalter erkennen.
• - Kein Summensignal und kein Fehlersignal sowie ein vorlie­ gendes Hilfsstromsignal, alle verbunden durch eine UND- Verknüpfung, lassen sich als eine manuelle Ausschaltung deuten.

Durch zeitliche Korrelation mit dem Summensignal kann eine Trennung zwischen Kurzschluss und Überlastauslösung ermög­ licht werden.

Nach einer Weiterbildung kann die zentrale Auswerteeinheit (Verarbeitungseinheit) zum Erkennen der charakteristischen Änderung der Stromstärke so ausgeführt sein, dass ein Ver­ gleich der von der Einrichtung zur Stromerfassung gemessenen Stromstärke mit einer durch Extrapolation des unmittelbar vorausgehenden Stromverlaufs ermittelten Stromstärke durchge­ führt wird. Hierdurch erzielt man eine frühzeitige Erkennung. Zum Vergleichen kann man in einfacher Weise so vorgehen, dass in der zentralen Auswerteeinheit von der gemessenen Strom­ stärke die durch Extrapolation gewonnene Stromstärke subtra­ hiert wird.

Nach einer Weiterbildung kann allgemein der Verlauf der cha­ rakteristischen Änderung der Stromstärke als Maß für die Aus­ schaltbelastung, z. B. gemäß der Belastung I²t, zu dem Schutz­ schalter abgespeichert werden, der abgeschaltet hat. Damit kann die Ausschaltbelastung des identifizierten Schaltgeräts berechnet werden. Für die Ausschaltbelastung können auch an­ dere Bezeichnungen, die aus Spannung U, Strom I und/oder der Zeit t gebildet sind, abgeleitet werden, z. B. ∫ U × I dt.

Die Erfindung soll nun anhand von in der Zeichnung schema­ tisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In Fig. 1 ist ein Schutzschaltsystem mit einer zentralen Ver­ arbeitungseinheit veranschaulicht.

In Fig. 2 sind oben Diagramme zur Ordinate mit I_summe und un­ ten für Ereignisse, also eins und null, und mit mehreren Ab­ szissen mit der Zeit dargestellt. Es ist der Stromverlauf in den angegebenen Hilfsschaltern und die Auswertung für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Mit HS1, HS3 bis HS5 ist einer der Hilfsschalter zu den Schutzschaltern S1 bis S5 nach Fig. 1 angegeben. Das &-Zeichen veranschaulicht die Operation UND. Eine überstrichene Größe ist als invertierte Größe zu verstehen.

In Fig. 1 ist ein Schutzschaltsystem mit einem Gruppenschal­ ter 2 veranschaulicht. Diesem sind Zweigschalter 1 (Schutz­ schalter S1, S2, . . .S5) nachgeordnet, nämlich S1, S2, S3, S4 und S5. Integriert oder angebaut sind Hilfsschalter HS1 bis HS5.

Einer Gruppe von Zweigschaltern 1 ist eine Einrichtung zur Stromerfassung 3 und (im Ausführungsbeispiel) der Gruppen­ schalter 2 vorgeordnet. Die Einrichtung zur Stromerfassung 3 ist mit einer zentralen Verarbeitungseinheit 4 verbunden, die auch Anschlüsse 5 für die Hilfsschalter HS1 bis HS5 aufweist. Die zentrale Verarbeitungseinheit 4 ist dafür ausgelegt, ab einer charakteristischen Änderung der Stromstärke während ei­ nes Zeitfensters t2 nach einer Abstandszeit t1 ein Schaltsig­ nal eines der Hilfsschalter HS1 bis HS5 zu erfassen. Mögliche, weitere Schaltebenen sind durch weitere Schalter 6 veran­ schaulicht.

Im Diagramm nach Fig. 2 ist im oberen Bereich ein Betriebs­ strom Ib als Summenstrom aller nachgeordneten Zweige und eine Stromschwelle Is der zentralen Verarbeitungseinheit 4 sowie ein Kurzschlussstrom Ik dargestellt. Während eines Signals T1 übersteigt der Kurzschlussstrom Ik den Schwellenstrom Is. Während eines Zeitfensters t2, das nach einer Abstandszeit t1 (vom Beginn des Signals T1 aus gerechnet) beginnt, wird ein Signal T2 in der zentralen Verarbeitungseinheit 4 gebildet. Die den Schutzschaltern S1, S3 bis S5 zugeordneten Hilfsschal­ ter HS1 und HS3 bis HS5 geben jeweils ein konstantes Signal ab, sind also ohne Veränderung. Im Beispiel sei der Hilfs­ schalter HS2 infolge der Kurzschlussausschaltung des Schutz­ schalters S2 mitgeschaltet worden, so dass er ein Schaltsig­ nal abgibt. Es ergibt sich dann ein Signal aus der Operation T2 und HS2 (also HS2 invertiert). Bei HS1 ohne Schalthand­ lung innerhalb der Zeiten t1 und t2 ergibt die Operation T2 und HS1 kein Signal. Beim Hilfsschalter HS2 ist also eine Schalthandlung erfolgt, die zu erfassen nicht erforderlich ist. Sie soll hier unwesentliche Schalthandlung genannt wer­ den.

Die Zeitdauer (Abstandszeit) t1 ist zweckmäßigerweise die Mindestverzögerungszeit des Hilfsschalters HS1, . . .HS5, und die Summe t1 + t2 (d. h. die Abstandszeit t1 und das Zeitfenster t2) bilden die maximale Verzögerungszeit bis zur Reaktion des Hilfsschalters HS1, . . .HS5.

Die Operation T2 und HS2 ergibt also, bei einer Erfassung im Zeitfenster t2, einen Zählimpuls. Dieser lässt sich zu dem betreffenden Schutzschalter S2 in einem Zähler 7 mit den Speichern Z1 bis Z5 (Fig. 1) zählen, im Beispiel also im Speicher Z2 des Zählers 7.

Der Zählerstand Z2 kann an der zentralen Verarbeitungsein­ heit 4 angezeigt werden und/oder weitergeleitet werden. In vergleichbarer Weise kann auch die Aufsummierung einer für die Ausschaltbelastung charakteristischen Größe folgen.

Eine Gleichzeitigkeit einer unwesentlichen Schalthandlung (Schalthandlung, die zu erfassen nicht erforderlich ist) mit dem Auftreten einer charakteristischen Änderung im Stromsig­ nal des Einspeisepunktes und damit mit einer wesentlichen Schalthandlung, ist äußerst unwahrscheinlich. Eine zutreffen­ dere Anzeige kann man durch Einengung des Zeitfensters t2 er­ reichen. Das Verwechseln von unwesentlichen Schalthandlungen mit wesentlichen Schalthandlungen lässt sich also dadurch noch weiter reduzieren. Ein Signalwechsel am Hilfsschal­ ter HS1 außerhalb des Zeitfensters t2, beispielsweise durch die manuelle Schalterbetätigung, ergibt nach dem Auswerte- Algorithmus T2 und HS1 den Wert Null. Somit wird diese Schalthandlung zutreffend nicht als belastende, sondern als unwesentliche Schalthandlung gewertet.

Bei Erreichen einer maximalen Ausschaltzahl unter erschwerten Bedingungen gemäß Zählerstand erfolgt ein Hinweis für das Service-Personal, den identifizierten Schutzschalter (Zweig­ schalter) zu überholen oder gegebenenfalls auch auszutau­ schen. Anstelle der Ausschaltzahlen kann auch eine aufaddier­ te Ausschaltbelastung gespeichert werden, die dann den Hin­ weis für das Service-Personal gibt. Das Wiedereinschalten kann sicherheitshalber auch durch ein Dauersignal auf den Arbeitsstromauslöser des als belastet identifizierten Schutz­ schalters verhindert werden, bis der Schutzschalter überholt oder ausgetauscht ist.

Leistungsschalter und Schutzschalter, wie beispielsweise Lei­ tungsschutzschalter, ermöglichen häufig, dass außer Signalen von einem Hilfsstromschalter auch Fehlersignale weitergelei­ tet werden können. Ein Fehlersignalschalter ändert seinen Signalzustand nur dann, wenn der zugeordnete Schutzschalter infolge eines erkannten Überstromfehlers, der eine Langzeit­ überlast oder ein Kurzschlussstrom sein kann, ausgeschaltet wurde. In dieser Ausführung ist eine differenzierte Auswer­ tung möglich:

• - Summensignal & Fehlersignal lassen sich als Kurzschluss­ auslösung am detektierten Schalter oder Schutzschalter er­ kennen.
• - Kein Summensignal & abgegebenes Fehlersignal lassen sich als Überlastauslösung am detektierten Schalter bzw. Schutzschalter erkennen.
• - Kein Summensignal & kein Fehlersignal & abgegebenes Hilfs­ stromsignal lassen sich als eine manuelle Ausschaltung er­ kennen.

Bei zeitlicher Korrelation mit dem Summensignal kann man zwi­ schen Überlast- und Kurzschlussauslösung unterscheiden. Ohne eine zeitliche Korrelation kann man nur die Aussage gewinnen, dass eine Überstromauslösung erfolgte.

Bei der zentralen Stromerfassung ist in der Regel der zu er­ fassende Kurzschlussstrom wesentlich größer als die Summe der Betriebsströme der übrigen, nicht gestörten Zweige. Eine Aus­ wertung mittels einer ausreichend hohen Stromschwelle Is über der maximalen Summe der üblichen Betriebsströme Ib ist dann verhältnismäßig einfach.

Wenn die Summe der Betriebsströme Ib jedoch in einer mit dem Kurzschlussstrom vergleichbaren Größenordnung liegen, kann bei der zentralen Stromerfassung eine Auswertung vorgesehen werden, die die kurzschlussbedingte Stromerhöhung in besonde­ rer Weise erfasst. So kann man ständig den tatsächlich flie­ ßenden Strom mit dem Strom, der gemäß einer Extrapolation des bisher registrierten Stromverlaufes fließen müsste, verglei­ chen. Man kann davon ausgehen, dass in den übrigen Stromzwei­ gen im Bereich von Millisekunden nicht gleichzeitig wesentli­ che Stromänderungen erfolgen, so dass bei Kurzschluss der Stromverlauf näherungsweise der Differenz von tatsächlich fließendem Strom und extrapoliertem Strom entspricht. Deshalb kann der so gewonnene Kurzschluss-Stromverlauf auch mit aus­ reichender Genauigkeit zur Berechnung der Ausschaltbelastung eines identifizierten Schaltgerätes (Schutzschalters) heran­ gezogen werden. Die Ausschaltbelastung kann insbesondere an­ hand des I²t-Wertes ermittelt oder errechnet werden.

Durch die zeitliche Korrelation einer charakteristischen Ver­ änderung der gemessenen Größe an einer Einspeisestelle, sei es ein Summenstrom oder beispielsweise eine Überspannung, mit einer über Hilfsmittel gemeldeten Schalthandlung lässt sich das Schaltgerät identifizieren und als belastetes Schaltgerät erkennen.

Claims (10)

1. Schutzschaltsystem mit Zweigschaltern (1), die als Schutz­ schalter (S1, S2, . . .S5) mit Hilfsschalterfunktion oder mit jeweils angebautem Hilfsschalter (HS1, HS2, . . .HS5) ausgeführt sind,
wobei einer in Baumstruktur angeordneten Gruppe von Zweig­ schaltern (1) eine zentrale Einrichtung zur Stromerfas­ sung (3) vorgeordnet ist, die ein Teil eines vorgeordneten Gruppenschalters (2) ist,
wobei die Einrichtung zur Stromerfassung (3) mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (4) verbunden ist, die auch Anschlüsse (5) für die Hilfsschalter (HS1, HS2, . . .HS5) auf­ weist und
wobei die zentrale Verarbeitungseinheit (4) dafür ausge­ legt ist, ab einer charakteristischen Änderung der Strom­ stärke während eines Zeitfensters (t2) nach einer Ab­ standszeit (t1) ein Schaltsignal eines der Hilfsschal­ ter (HS1, . . .HS5) zu erfassen (Fig. 2).

2. Schutzschaltsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als die charakteristische Änderung der Stromstärke ein Überschreiten eines Schwellwertes (Is) dient.

3. Schutzschaltsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Verarbeitungseinheit (4) dafür ausgelegt ist, Schaltsignale, die den Hilfsschaltern (HS1, HS2, . . .HS) und den Schutzschaltern (S1, S2, . . .S5) zugeordnet sind, zu zäh­ len.

4. Schutzschaltsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Verarbeitungseinheit (4) dafür ausgelegt ist, zum Schaltsignal eines der Hilfsschalter (HS1, . . .HS5) eine für eine Ausschaltbelastung charakteristische Größe abzu­ speichern.

5. Schutzschaltsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Größe für die Ausschaltbelastung ein I²t-Wert dient.

6. Schutzschaltsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Verarbeitungseinheit (4) die Erfassung des Schaltsignals eines der Hilfsschalter (HS1, . . .HS5) während des Zeitfensters (t2) in einer UND-Verbindung mit dem in­ vertierten Schaltsignal (HS1) des Hilfsschalters (z. B. HS1) als einen Zählimpuls abspeichert.

7. Schutzschaltsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass außer der Erfassung des Schaltsignals des Hilfsschal­ ters (HS1, . . .HS5) auch eine Einrichtung zur Erfassung eines fehlerabhängigen Schaltens der zugeordneten Schutzschalter (S1, S2, . . .S5) vorgesehen ist.

8. Schutzschaltsystem nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der zentralen Verarbeitungseinheit (4) zum Erkennen der charakteristischen Änderung der Stromstärke ein Vergleich der von der Einrichtung zur Stromerfassung (3) gemessenen Stromstärke mit einer durch Extrapolation des unmittelbar vorausgehenden Stromverlaufs ermittelten Stromstärke durch­ geführt wird.

9. Schutzschaltsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der zentralen Verarbeitungseinheit (4) beim Vergleich die durch Extrapolation gewonnene Stromstärke von der ge­ messenen Stromstärke subtrahiert wird.

10. Schutzschaltsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der charakteristischen Änderung der Stromstärke als Maß für die Ausschaltstrombelastung gemäß dem I²t-Wert zu dem Schutzschalter (S1, S2, . . .S5) abgespeichert wird, der abgeschaltet hat.