Beschreibung

Verfahren zum selektiven Auslösen von Leistungsschaltern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Auslösen von einem vorgeordneten und mindestens einem diesem nachge- ordneten Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, Schutzgeräte in Form von Leistungsschaltern im Falle eines Kurzschlusses selektiv auszulösen. Dies bedeutet, dass jeweils der Leistungsschalter auslöst, welcher sich von der Stromeinspeisung aus gesehen am nächsten zum Kurz- schluss befindet, so dass nicht mehr Verbraucher als unver- meidbar von der Abschaltung betroffen sind. Die einander vor- und nachgeordneten Leistungsschalter unterliegen dazu einer Strom- und Zeitstaffelung; so weisen die einspeisenahen Leistungsschalter jeweils längere Abschaltzeiten als die nachgeordneten auf. Damit wird erreicht, dass die vorgeordneten Leistungsschalter nur dann eine Abschaltung vornehmen, wenn sie sich selbst am nächsten zum Kurzschluss befinden oder in Notfällen, wo ein nachgeordneter Leistungsschalter nicht auslöst, obwohl er auslösen müsste.

Bei einer Strom- und Zeitstaffelung werden die Strom-Zeit- Kennlinien der Leistungsschalter so aufeinander abgestimmt, dass diese im Falle eines Kurzschlusses in Einspeiserichtung gesehen bei immer höheren Strömen und nach immer längeren Zeiten auslösen.

Dies hat den Nachteil, dass die einspeisenahen Leistungsschalter relativ lange Abschaltzeiten aufweisen.

Es ist bekannt, diese relativ langen Abschaltzeiten dadurch zu verkürzen, dass zwischen den Leistungsschaltern eine Kommunikationsverbindung hergestellt wird, mit deren Hilfe nach- geordnete Leistungsschalter den jeweils vorgeordneten Leis- tungsschaltern signalisieren, ob sie die Abschaltung vornehmen werden. Dafür ist allerdings ein zusätzlicher Verdrahtungsaufwand erforderlich.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Verfahren zum selektiven Auslösen anzugeben, das insbesondere auch bei den sehr kurzen Abschaltzeiten der Niederspannungs-Leistungs- schalter anwendbar ist.

Die Lösung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gege- ben; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar .

Die Lösung sieht vor, dass für den vorgeordneten Leistungsschalter der Schaltlichtbogen vorhanden ist, wenn der vom vorgeordneten Leistungsschalter aus gesehene abgangsseitige ohmsche Widerstand der vom Kurzschluss gebildeten Kurzschlussschleife zeitlich einen exponentiellen Verlauf aufweist. Mit dem Verfahren ist es also möglich, dass der vorgeordnete Leistungsschalter jeweils von sich aus feststellen kann, ob ein nachgeordneter Leistungsschalter einen Schaltlichtbogen erzeugt und damit, ob er bereits abschaltet. In diesem Falle kommt es nicht mehr zu einer dann unerwünschten Abschaltung durch den vorgeordneten Leistungsschalter. Vorteilhafterweise ist für diese Lösung kein zusätzlicher Schal- tungsaufwand und auch keine Kommunikation der Leistungsschalter untereinander erforderlich.

Um die Sicherheit beim Erfassen eines Schaltlichtbogens zu erhöhen, wird vorgeschlagen, zusätzlich zu prüfen, ob der ex-

ponentielle Verlauf vom Nulldurchgang des Wechselstroms jeweils weiter als ein vorgegebener Zeitwert entfernt verläuft.

Bei Verwendung von Leistungsschaltern mit Back-up-Funktion, die große Kurzschlussströme durch öffnen der Schaltkontakte ohne Betätigung des Schaltschlosses bereits selbsttätig begrenzen, wird vorgeschlagen, dass der vorgeordnete Leistungsschalter eine Back-up-Funktion aufweist und diese Back-up- Funktion sowie die abgangsseitige Impedanz überwacht, dass erst nach Aktivierung der Back-up-Funktion und/oder wenn die abgangsseitige Impedanz innerhalb eines vorgegebenen Impedanzbereichs liegt das abgangsseitige Auftreten eines Schaltlichtbogens für eine vorgegebene Zeit überwacht wird und der vorgeordnete Leistungsschalter auslöst, wenn in der vorgege- benen Zeit kein Schaltlichtbogen auftritt.

Alternativ ist es auch möglich, dass anstelle der abgangssei- tigen Impedanz ein Strom-Schwellwert überwacht wird.

Eine bessere Anpassung des Verfahrens wird erreicht, wenn die vorgegebene Zeit, vom Kurzschlusseintritt bis zum Erkennen eines nachgeordneten Schaltlichtbogens, stromabhängig ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer

Schaltungsanordnung mit mehreren Leistungsschaltern, Figur 2 die Impedanz als Funktion der Zeit für die Schaltungsanordnung nach Figur 1 bei einem Kurzschluss zum Zeitpunkt Null und

Figur 3 die Schaltungsanordnung von Figur 1 mit mehreren möglichen Kurzschlüssen an unterschiedlichen Orten.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung mit mehreren Schutzschaltern in Form von Leistungsschaltern LS, von denen in der Figur 1 nur drei Leistungs- Schalter LSl, LS2, LSn dargestellt sind. Bei den Leistungsschaltern LS handelt es sich um Strom begrenzende Niederspan- nungs-Leistungsschalter, die sehr kurze und von der Höhe des Kurzschlussstromes abhängige Abschaltzeiten aufweisen. Die Unterbrechung U dient der Vereinfachung der Darstellung der Schaltungsanordnung; sie besagt, dass zwischen den gezeigten Leistungsschaltern LS2 und LSn noch weitere Leistungsschalter LS vorhanden sein können. In der Figur 1 ist weiter eine Stromeinspeisung 1 gezeigt, zu der ein Stromnetz 2 sowie ein Transformator 3 gehören. Der Stromeinspeisung 1 folgt der (einspeisenahe) Leistungsschalter LSl, der den Leistungsschaltern LS2, LSn vorgeordnet ist. Dementsprechend sind die beiden Leistungsschalter LS2, LSn dem Leistungsschalter LSl nachgeordnet. „Vorgeordnet" und „nachgeordnet" sind jeweils von der Stromeinspeisung 1 aus gesehen definiert.

Ein Pfeil am Fehlerort F2.5 soll anzeigen, dass dort ein Kurzschluss 4 vorliegt. Die Figur 1 zeigt weiter, dass der dem Fehlerort F2.5 am nächsten liegende Leistungsschalter LS2 bereits dabei ist zu öffnen und damit die vom Kurzschluss 4 gebildete Kurzschlussschleife von der Stromeinspeisung 1 zu trennen. Dabei ziehen die sich öffnenden Schaltkontakte des Leistungsschalters LS2 einen in Figur 1 gezeigten Schaltlichtbogen 5, der bei einer weiteren öffnung der Schaltkontakte gelöscht wird und folglich bei vollständig geöffneten Schaltkontakten wieder erloschen ist.

Der Leistungsschalter LSl besitzt eine Back-up-Funktion, d.h. er öffnet ebenfalls etwas (zusammen mit dem Leistungsschalter LS2), wenn sich der Kurzschluss 4 von der Stromeinspeisung 1

aus gesehen vor seiner Ansprechschwelle 6 befindet und der Kurzschlussstrom einen Mindestwert überschritten hat. Durch die Back-up-Funktion des Leistungsschalters LSl wird der fließende Strom I bereits begrenzt.

In der Figur 1 befindet sich der Kurzschluss 4 nicht vor sondern hinter der Ansprechschwelle 6, so dass die Back-up-Funktion des Leistungsschalters LSl nicht aktiv ist. Weiter befindet sich der Kurzschluss 4 und die Ansprechschwelle 6 in- nerhalb eines Bereichs 6a, welcher schematisch den Schutzbzw. Wirkungsbereich des einspeisenahen Leistungsschalters LSl angibt, d.h. in dem sich die abgangsseitige Impedanz R (s. Figur 2) bei Auftreten eines Kurzschlusses 4 signifikant ändert .

Der vorgeordnete Leistungsschalter LSl beobachtet (überwacht) jeweils seine Back-up-Funktion (z.B. mittels Photodioden oder Bewegungssensoren) und die abgangsseitige Impedanz, d.h. die vom Leistungsschalter LSl in Richtung der Leistungsschalter LS2, LSn vorliegende Impedanz. Sie weist einen ohmschen Anteil (ohmscher Widerstand R in Figur 2) als auch einen imaginären Anteil auf. Durch den Kurzschluss 4 verkleinert sich die abgangsseitige Impedanz, da durch den Kurzschluss 4 innerhalb der Schaltungsanordnung eine Kurzschlussschleife ent- steht. Der Leistungsschalter LSl überwacht hier, ob die abgangsseitige Impedanz kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist. Die überwachung kann aber auch prüfen, ob die Impedanz jeweils innerhalb eines vorgegebenen Impedanzbereichs liegt. In der Schaltungsanordnung in Figur 1 hat die abgangs- seitige Impedanz den vorgegebenen Schwellwert unterschritten und vom Zeitpunkt des Unterschreitens an prüft der Leistungsschalter LSl den abgangsseitigen ohmschen Widerstand R auf exponentiellen Verlauf.

Figur 2 zeigt den ohmschen Anteil (ohmschen Widerstand R) der Impedanz als Funktion der Zeit t für die Schaltungsanordnung gemäß Figur 1. Der Verlauf des abgangsseitigen ohmschen Widerstands R ist dabei aufgrund des Schaltlichtbogens 5 ex- ponentiell (logarithmische Einteilung der Ordinate oder R- Achse in Figur 2) und bricht dann bei 9 ms ab, wobei der un- beeinflusste Wechselstrom I bei 10 ms jeweils seinen Nulldurchgang hätte.

Der Leistungsschalter LSl prüft, ob der Verlauf des ohmschen Widerstands R exponentiell ist und zusätzlich bis zu einem vorgegebenen Zeitwert (hier 1 ms) vom Nulldurchgang entfernt verläuft, was in Figur 2 der Fall ist.

Andere Störungen können ebenfalls einen exponentiellen Impedanzverlauf bewirken. Allerdings hat sich gezeigt, dass ein von Störungen hervorgerufener exponentieller Impedanzverlauf an den Nulldurchgängen des Wechselstroms I regelmäßig nicht abbricht, sondern vorzugsweise während der Nulldurchgänge vorhanden ist.

In Figur 1 erkennt der Leistungsschalter LSl anhand des exponentiellen Verlaufs des ohmschen Widerstands R und der Entfernung von mehr als 1 ms vom Nulldurchgang, dass ein Schalt- lichtbogen 5 vorhanden ist und er folglich nicht selbst öffnen (abschalten) muss, da ein nachgeordneter Leistungsschalter (hier der Leistungsschalter LS2) bereits dabei ist, zu öffnen .

In Figur 3 ist die Schaltungsanordnung von Figur 1 mit mehreren möglichen Kurzschlüssen 4 gezeigt. Die Unterschiede bestehen darin, dass die Kurzschlüsse 4 an unterschiedlichen Fehlerorten F vorhanden sein sollen. Außerdem ist der Leistungsschalter LS2 noch nicht dabei zu öffnen, so dass für die

unterhalb der Ansprechschwelle 6 vorhandenen möglichen Kurzschlüsse jeweils die Back-up-Funktion des Leistungsschalters LSl aktiviert wird, da der Kurzschlussstrom groß genug ist .

Der Leistungsschalter LSl löst für die Kurzschlüsse 4 an den Fehlerorten Fl, F3 nach der vorgegebenen Zeit aus, da diese Kurzschlüsse zwischen dem vorgeordneten und den nachgeordne- ten Leistungsschaltern LSl bzw. LS2, LSn liegen und folglich keiner der nachgeordneten Leistungsschalter LSl, LSn abschal- tet.

Bei den Kurzschlüssen 4 an den Fehlerorten F2.1, F2.2, F2.3 prüft der Leistungsschalter LSl nach Erkennen der Aktivierung seiner Back-up-Funktion bzw. nach Erkennen, dass die abgangs- seitige Impedanz kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist, den zeitlichen Verlauf der Impedanz, d.h. den ohmschen Widerstand R. Dieser weist hier einen exponentiellen aber keinen durch einen Schaltlichtbogen 5 eines nachgeordneten Leistungsschalters LS2, LSn bedingten exponentiellen Verlauf auf. Das erkennt er hier dadurch, dass dieser exponentiellen Verlauf nicht einen vorgegebenen Zeitwert (hier 1 ms) vom Nulldurchgang entfernt verläuft (da dies nur bei Schaltlichtbögen 5 der Fall ist) . Wenn der hier zuständige Leistungsschalter LS2 keinen Schaltlichtbogen 5 zieht, er also nicht dabei ist zu öffnen, öffnet der Leistungsschalter LSl nach

Ablauf einer vorgegebenen stromabhängigen Zeit (vollständig) . Eine solche Situation kann beispielsweise dadurch eintreten, dass der Leistungsschalter LS2 defekt ist.

Zieht der Leistungsschalter LS2 dagegen innerhalb der vorgegebenen Zeit einen Schaltlichtbogen 5 (in Figur 3 nicht dargestellt) , so würde dieser vom Leistungsschalter LSl erkannt und der Leistungsschalter LSl würde nicht auslösen, sondern nur der Leistungsschalter LS2.

Für den Fehlerort F2.3 ist der Leistungsschalter LSl auf die Aktivierung seiner Back-up-Funktion angewiesen, da die vom Leistungsschalter LSl gemessene Impedanz nicht mehr in dessen Impedanz- und somit Wirkungsbereich liegt (d.h. der Fehlerort F2.3 liegt in den Figuren 1 und 3 außerhalb des Bereichs 6a) .