Schaltanlage mit einem Einschub und Verfahren zum Erkennen und Begrenzen der Energie eines Störlichtbogens in einem Ein- schub einer Schaltanlage

Die Erfindung betrifft eine Schaltanlage mit einem Einschub und ein Verfahren zum Erkennen und Begrenzen der Energie eines Störlichtbogens in einem Einschub einer Schaltanlage ge- maß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10.

Schaltanlagen, die an elektrische Energieversorgungen angeschlossen werden, sind bekannt. Weiter ist es bekannt, die Energieverteilung in einem Schaltschrank vorzunehmen, der ei- nen Einschub oder mehrere Einschübe aufweist.

In den Einschüben der Schaltanlagen können Störlichtbögen auftreten, unter anderem durch Isolationsfehler, Gerätedefekte oder Fehlbedienungen, über die elektrische Energie parasi- tär abfließt. Als Folge kann es zu erheblichen Anlagen- und Personenschäden kommen.

Meist befindet sich in jedem Einschub ein Schutzorgan, über das zumindest ein Anlagenzweig mit der Energieversorgung ver- bunden ist. Über die Schutzorgane erfolgt die Aufteilung der elektrischen Energie auf einzelne Anlagenzweige; sie unter ^¬ brechen die Energieversorgung insbesondere beim Auftreten eines Kurzschlusses. Bei den Schutzorganen kann es sich bei ^¬ spielsweise um Sicherungen oder Schutzschalter handeln.

Handelt es sich bei dem Schutzorgan um einen Schutzschalter, so weist dieser mechanische Kontakte auf, die bei geschlosse ^¬ nem Schalter aneinander anliegen und die beim Öffnen zum Unterbrechen der Energieversorgung voneinander getrennt werden, wobei sich zwischen den Kontakten ein Schaltlichtbogen ausbildet . Das Erkennen eines Störlichtbogens ist insbesondere im Ein- schub ein Problem, da man sowohl Schaltlichtbögen als auch Störlichtbögen allein anhand ihrer Lichtabstrahlung nicht sicher voneinander unterscheiden kann.

Weiter ist es aufgrund der Topologie schwierig, Messsignale, zu denen auch im Einschub erfasste Stromsignale gehören, ei ^¬ ner zentralen Auswertung außerhalb des Einschubs störungs- und fehlerfrei zuzuführen. Die durch den Einschub bedingten Schwierigkeiten hängen mit der Einschiebbarkeit des Einschubs und dem dadurch erforderlichen Trennkontaktsystem zusammen, dessen Aufgabe es ist, eine Trennung der Kontakte des Haupt- und Steuerstromkreises im laufenden Betrieb zum schnellen Austausch des Einschubs (seiner Komponenten) zu realisieren.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Schaltanlage mit einem Schaltschrank einen Störlichtbogen im Bereich eines Einschubs zu erkennen und zu löschen bzw. dessen Energie zu ^¬ mindest zu begrenzen, insbesondere wenn im Einschub ein

Schutzschalter platziert ist.

Die Aufgabe wird bezogen auf die Schaltanlage durch die Merk ^¬ male des Anspruchs 1 und bezogen auf das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.

Vorteilhafterweise sind im Bereich des Einschubs Messpunkte mit zugeordneten Messwert-Sensoriken zur Ermittlung von Messwerten vorhanden, wobei die im Bereich des Einschubs angeord ^¬ nete Auswerte- und Auslöse-Elektronik zum Erkennen des Störlichtbogens im Einschub die Messwerte verarbeitet und bei er ^¬ kanntem Störlichtbogen eine Schalteinrichtung auslöst. Mit Vorteil wird vorgeschlagen, dass die Schalteinrichtung in Energieflussrichtung gesehen vorgeordnet ist und sich außerhalb des Einschubs befindet. Mit Vorteil wird weiter vorgeschlagen, dass die Auswerte- und Auslöse-Elektronik bei erkanntem Störlichtbogen ein Signal zur Auslösung an die Schalteinrichtung sendet.

Technisch einfach ist es, wenn sich die Auswerte- und Auslö- se-Elektronik im Einschub befindet und das Signal über einen Trennkontakt ASH an die vorgeordnete und außerhalb des Ein ^¬ schubs befindliche Schalteinrichtung sendet.

Bei einer einfachen Ausführung ist das Signal eine Gleich- Spannung.

Um den Störlichtbogen sehr schnell zu löschen, wird vorgeschlagen, dass die vorgeordnete Schalteinrichtung ein Kurzschließer ist.

Um weitere Schäden gering zu halten, wird vorgeschlagen, dass dem Kurzschließer ein Schutzschalter vorgeordnet ist, der im Falle eines Kurzschlusses jeweils selbsttätig auslöst. Um einen Störlichtbogen in einem Einschub eines Schalt- schranks zu erkennen, wird vorgeschlagen, dass die Erfassung der Messwerte als erste und zweite Messwerte erfolgt, wobei die ersten Messwerte Temperaturwerte in Form von Temperaturen oder Temperaturgradienten und/oder Lichtwerte und die zweiten Messwerte Energieflusswerte (Stromwerte) sind, dass die Aus ^¬ werte- und Auslöse-Elektronik die ersten Messwerte jeweils mit einer zugeordneten Messwert-Schwelle vergleicht und einen ersten Zeitpunkt bei Überschreitung der zugeordneten Messwert-Schwelle erfasst, dass die Auswerte- und Auslöse-Elek- tronik zweite Messwerte jeweils mit einer zugeordneten Mess ^¬ wert-Schwelle vergleicht und einen zweiten Zeitpunkt bei Überschreitung der zugeordneten Messwert-Schwelle erfasst, dass die Auswerte- und Auslöse-Elektronik aus der Differenz der beiden Zeitpunkte jeweils einen zeitlichen Abstand (der Überschreitung der Messwert-Schwellen) ermittelt, wobei ein Störlichtbogen erkannt ist (vorliegt) , wenn der Betrag des zeitlichen Abstands unterhalb eines vorgegebenen Zeitwerts liegt. In diesem Fall initiiert die Auswerte- und Auslöse ^¬ elektronik die Begrenzung der Energie des Störlichtbogens.

Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren vor, dass an Messpunkten im Bereich des Einschubs Messwerte erfasst und mit ^¬ tels einer Auswerte- und Auslöse-Elektronik zum Erkennen eines Störlichtbogens im Einschub verarbeitet werden, dass bei erkanntem Störlichtbogen eine Schalteinrichtung ausgelöst wird, welche die Energie des Störlichtbogens zumindest be ^¬ grenzt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine Schaltanlage mit einem Einschub in einem

Schaltschrank,

Figur 2 eine Darstellung der Temperaturwerte und erste

Energieflusswerte über der Zeit im Einschub gemäß Figur 1 mit den zugehörigen Schwellen und

Figur 3 eine Darstellung der Lichtwerte und Energiefluss ^¬ werte über der Zeit im Einschub gemäß Figur 1 mit den zugehörigen Schwellen.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltanla ^¬ ge SA, über die ein Verbraucher RL mit einer elektrischen Energieversorgung EV verbunden ist. Die Schaltanlage SA dient zur Aufteilung der elektrischen Energie auf einzelne Anlagenzweige; in Figur 1 ist nur ein Anlagenzweig schematisch durch den Verbraucher RL dargestellt. Die Energieflussrichtung FR ist in Figur 1 die Richtung, in die der Pfeil am Energiefluss I zeigt.

Die Schaltanlage SA besteht hier aus einem (einzigen) Schalt- schrank SS; der Anschluss der Energieversorgung EV erfolgt über entsprechende Sammelstromschienen, die sich in den

Schaltschrank SS erstrecken.

In ein Einschubfach EF des Schaltschranks SS ist ein Einschub ES eingeschoben, der im eingeschobenen Zustand (also während des Betriebs oder bei der Inbetriebnahme) über Trennkontakte ASZ, ASA zur Energiezuführung (Trennkontakt ASZ) und Energieabführung (Trennkontakt ASA) mit im Schaltschrank SS angeordneten Sammelschienen kontaktiert (Trennkontaktsystem des Hauptstromkreises) . Die Trennkontakte ASZ, ASA sind über Ka ^¬ bel Kl, K2 (allgemein elektrische Leiter) und einen im Einschub ES angeordneten Schutzschalter CBN verbunden.

Grundsätzlich muss im Einschub ES kein Schutzschalter CBN vorhanden sein; sehr häufig sind die Einschübe ES allerdings mit Schutzschaltern ausgestattet, weshalb hier beispielhaft eine spezielle Ausführung mit einem Schutzschalter CBN als Schutzorgan beschrieben wird. Bei dem Schutzorgan kann es sich auch um eine Sicherung und dergleichen handeln.

Weiter verfügt der Einschub ES über Trennkontakte ASH (Trenn ^¬ kontaktsystem des Steuerstromkreises) , welche im eingeschobe ^¬ nen Zustand für den funktionsgemäßen Betrieb erforderliche Steuersignale zwischen dem Einschub ES und dem Schaltschrank SS übertragen.

Der Schutzschalter CBN weist zwei mechanisch trennbare

Schaltkontakte auf, die bei geschlossenem Schutzschalter CBN aneinander anliegen. Zum Öffnen des Schutzschalters CBN wer- den dessen Schaltkontakte voneinander getrennt, wobei sie je ^¬ weils einen Schaltlichtbogen ziehen. Der Schutzschalter CBN bildet hier speziell zusammen mit einem in Energieflussrichtung FR gesehen vorgeordneten Schutzschalter CBV eine Schutzkette zum Schutz der jeweils nachge ^¬ ordneten Anlagenzweige bei Kurzschlüssen. Der Schutzschalter CBN ist dem Schutzschalter CBV in der Schutzkette entsprechend nachgeordnet; durch den Schutzschalter CBN wird der direkt mit dem Schutzschalter CBN verbundene Verbraucher RL (als zugehöriger Anlagenzweig) geschützt. Die beiden in Reihe geschalteten Schutzschalter CBV, CBN der Schutzkette öffnen im Falle eines Kurzschlusses selektiv, d. h. es öffnet in Energieflussrichtung FR gesehen immer der Schutzschalter CBN, CBV, der dem Kurzschluss am nächsten liegt. Bei einem durch den Verbraucher RL verursachten Kurz- schluss öffnet also nur der nachgeordnete Schutzschalter CBN.

An verschiedenen Orten (Stellen) im Einschub sind Messpunkte MP1, MP2, MPT, MPL vorhanden an denen mittels zugehörigen Messwert-Sensoriken MSI, MS2, MST, MSL jeweils Messwerte er- mittelt werden. Insbesondere sind der Messpunkt MP1 unmittel ^¬ bar hinter dem nachgeordneten Schutzschalter CBN und der Messpunkt MP2 unmittelbar hinter dem Anschluss ASZ angeord ^¬ net. Alle Messwert-Sensoriken MSI, MS2, MST, MSL sind hier beispielhaft innerhalb des Einschubs ES angeordnet; es ist aber auch möglich, dass für einen Messpunkt MP1, MP2, MPT, MPL im Einschub die zugehörige Messwert-Sensorik MSI, MS2, MST, MSL außerhalb des Einschubs ES (aber zumindest im Be ^¬ reich des Einschubs ES) angeordnet ist. Zum Bereich des Ein ^¬ schubs gehören sowohl der Einschub ES selbst einschließlich Einschubrahmen als auch alle für dessen Verbindung mit dem Schaltschrank SS erforderlichen Komponenten.

Weiter kann es sich bei einem Messpunkt, insbesondere den Messpunkten MPT, MPL, auch um einen räumlichen Bereich inner- halb des Einschubs handeln. An den Messpunkten MP1 und MP2 werden Energieflusswerte EW1, EW2 (Stromwerte) , am Messpunkt MPT Temperaturwerte TW und am Messpunkt MPL Lichtwerte LW ermittelt. Bei den Temperaturwer ^¬ ten TW kann es sich um Werte für die Temperatur am Messpunkt MPT als auch um Werte für den Temperaturgradienten (Temperaturänderungen) am Messpunkt MPT handeln.

Die Messwert-Sensoriken MSI, MS2, MST, MSL sind zur Auswertung der Messwerte (Energieflusswerte EW1 und EW2, Tempera- turwerte TW, Lichtwerte LW) mit einer im Einschub ES (also dezentral) angeordneten Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE verbunden; die Verbindungen sind in Figur 1 durch die gestrichelten Linien dargestellt. Durch die Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE ist eine

Schalteinrichtung SE hier in Form eines Kurzschließers KS auslösbar, der in Energieflussrichtung FR gesehen unmittelbar hinter dem vorgeordneten Schutzschalter CBV geschaltet und (dessen Auslöser) über die Leitungen VL1, VL2 und die Trenn- kontakte ASH mit der Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE elektrisch verbunden ist.

Der Kurzschließer KS wird hier eingesetzt, um den Energie- fluss I durch den Einschub ES sehr schnell (innerhalb weniger Millisekunden) zu unterbrechen. Grundsätzlich könnten hier auch andere Schalteinrichtungen SE eingesetzt werden, wenn sie schnell genug sind.

Um einen Störlichtbogen zu erkennen, wird grundsätzlich fol- gendes Verfahren durchgeführt, das zunächst beispielhaft für erste Messwerte in Form von Temperaturwerten TW beschrieben wird: Am Messpunkt MPT werden von der Auswerte- und Auslöse- Elektronik AAE fortlaufend als erste Messwerte Temperaturwer ^¬ te TW und am Messpunkt MP1 als zweite Messwerte fortlaufend Energieflusswerte (Stromwerte) IW1 ermittelt. Die Temperatur ^¬ werte TW werden von der Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE jeweils mit einer Temperatur-Schwelle TS und die Energie- flusswerte IWl jeweils mit einer Energiefluss-Schwelle ISl verglichen. Wird die Temperatur-Schwelle TS überschritten, wird ein erster Zeitpunkt tl erfasst und wird die Energie- fluss-Schwelle ISl überschritten, wird ein zweiter Zeitpunkt t2 erfasst. Bei Überschreitung der Temperatur-Schwelle TS prüft die Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE jeweils, ob auch die Energiefluss-Schwelle ISl überschritten ist, und wenn ja, wird die Differenz der beiden Zeitpunkte tl, t2 ge ^¬ bildet und so jeweils der zeitliche Abstand tlt2 der Über- schreitung der Messwert-Schwellen TS, ISl ermittelt. Anschließend wird dessen Betrag Btlt2 gebildet. Ist dieser Be ^¬ trag Btlt2 kleiner als ein vorgegebener Zeitwert ZW, liegt ein Störlichtbogen vor, d.h. ein Störlichtbogen ist erkannt. Die Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE löst dann bei erkanntem Störlichtbogen zur Unterbrechung des Stromflusses I den in Energieflussrichtung EF gesehen vorgeordneten und außerhalb des Einschubs ES befindlichen Kurzschließer KS unmit ^¬ telbar aus, indem ein Signal zur Auslösung an den Auslöser des Kurzschließers KS gesendet wird. Dazu wird hier von der

Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE beispielhaft eine vorge ^¬ gebene Gleichspannung auf die Leitung VL1 (und VL2) gegeben.

Zweckmäßigerweise wird der vorgeordnete Schutzschalter CBV zusammen mit dem Kurzschließer KS ausgelöst, wobei er ent ^¬ sprechend zeitverzögert nach dem Kurzschließer KS öffnet. An ^¬ sonsten würde der vorgeordnete Schutzschalter CBV jeweils aufgrund des Kurzschlusses durch den Kurzschließer KS auslö ^¬ sen, allerdings deutlich später.

Als Schalteinrichtung SE könnte auch der Schutzschalter CBV selbst dienen, was aufgrund der dann doch relativ großen Zeitverzögerung bis zur Unterbrechung des Energieflusses I mit erheblichen Nachteilen verbunden wäre und deshalb eigent- lieh nur als absolute Notlösung in Frage kommt. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Temperaturwerte TW und der Energieflusswerte IW1 mit den zugehörigen Schwellen TS, IS über der Zeit, in welche auch die beiden Zeitpunkte tl, t2 und deren zeitlicher Abstand tlt2 eingetra- gen sind. Der Einfachheit halber sind die Temperaturwerte TW und die Energieflusswerte IW1 normiert aufgetragen.

Das Verfahren wurde zum besseren Verständnis beispielhaft für erste Messwerte in Form von Temperaturwerten TW beschrieben. Alternativ können anstelle der Temperaturwerte TW auch die am Messpunkt MPL erfassten Lichtwerte LW verwendet werden. Die Lichtwerte LW werden entsprechend mit einer Lichtwert-Schwel ^¬ le LS verglichen, bei deren Überschreitung der erste Zeitpunkt tl erfasst wird. Wieder wird der zeitliche Abstand tlt2 der Überschreitung der Messwert-Schwellen LS, IS ermittelt, und daraus dessen Betrag Btlt2 gebildet. Ist der Betrag Btlt2 kleiner als ein vorgegebener Zeitwert ZW, liegt ein Störlichtbogen vor. Figur 3 zeigt eine Darstellung der Lichtwerte LW und der

Energieflusswerte IW1 mit den zugehörigen Schwellen LS, IS über der Zeit, in welche auch die beiden Zeitpunkte tl, t2 und deren zeitlicher Abstand tlt2 eingetragen sind. Als weitere Alternative ist es auch möglich, sowohl die Tem ^¬ peraturwerte TW am Messpunkt MPT als auch die Lichtwerte LW am Messpunkt MPL als erste Messwerte zu erfassen und entspre ^¬ chend die Temperaturwerte TW mit der Temperatur-Schwelle TS und die Lichtwerte LW mit der Lichtwert-Schwelle LS zu ver- gleichen. Bei Überschreitung von einer der beiden Schwellen TS, LS wird dann der erste Zeitpunkt tl erfasst. Sind beide Schwellen TS, LS überschritten, ist der erste Zeitpunkt tl der Zeitpunkt, zu dem eine der beiden Schwellen TS, LS zuerst überschritten ist. Wieder wird der zeitliche Abstand tlt2 der Überschreitung der Messwert-Schwellen TS oder LS und IS1 ermittelt, und daraus dessen Betrag Btlt2 gebildet. Ist der Be- trag Btlt2 kleiner als der vorgegebene Zeitwert ZW, liegt ein Störlichtbogen vor.