Title:
Elektronische Leitungsschutzschaltung sowie Leitungsschutzsystem
Kind Code:
U1


Abstract:

Elektronische Leitungsschutzschaltung (10) zum Schutz einer Last (24), mit zwei Eingängen (12, 14) und zwei Ausgängen (16, 18), die jeweils über eine Leitung (20, 22) mit einem zugeordneten Eingang (12, 14) in Verbindung stehen, wobei in zumindest einer Leitung (20, 22) ein Stromsteuer-Schaltelement (28, 30) vorgesehen ist, das eingerichtet ist, den Stromfluss durch die entsprechende Leitung (20, 22) zu steuern, wobei eine Steuerung (26) vorgesehen ist, die eingerichtet ist, das Stromsteuer-Schaltelement (28, 30) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronisch angesteuerte, mechanische Schutzeinheit (36) vorgesehen ist, wobei die Steuerung (26) eingerichtet ist, einen Ausfall des wenigstens einen Stromsteuer-Schaltelements (28, 30) zu erkennen und die Schutzeinheit (36) elektronisch anzusteuern, sodass diese den Stromfluss in mechanischer Weise unterbricht.




Application Number:
DE202017006695U
Publication Date:
01/22/2018
Filing Date:
02/10/2017
Assignee:
HARTING Customised Solutions GmbH & Co. KG, 32339 (DE)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Prinz & Partner mbB Patentanwälte Rechtsanwälte, 80335, München, DE
Claims:
1. Elektronische Leitungsschutzschaltung (10) zum Schutz einer Last (24), mit zwei Eingängen (12, 14) und zwei Ausgängen (16, 18), die jeweils über eine Leitung (20, 22) mit einem zugeordneten Eingang (12, 14) in Verbindung stehen, wobei in zumindest einer Leitung (20, 22) ein Stromsteuer-Schaltelement (28, 30) vorgesehen ist, das eingerichtet ist, den Stromfluss durch die entsprechende Leitung (20, 22) zu steuern, wobei eine Steuerung (26) vorgesehen ist, die eingerichtet ist, das Stromsteuer-Schaltelement (28, 30) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronisch angesteuerte, mechanische Schutzeinheit (36) vorgesehen ist, wobei die Steuerung (26) eingerichtet ist, einen Ausfall des wenigstens einen Stromsteuer-Schaltelements (28, 30) zu erkennen und die Schutzeinheit (36) elektronisch anzusteuern, sodass diese den Stromfluss in mechanischer Weise unterbricht.

2. Elektronische Leitungsschutzschaltung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinheit (36) ein elektronisch anzusteuerndes Kurzschluss-Schaltelement (38) umfasst, das mit beiden Leitungen (20, 22) verbunden ist und eingerichtet ist, die beiden Leitungen (20, 22) beim Ausfall des wenigstens einen Stromsteuer-Schaltelements (28, 30) kurzzuschließen.

3. Elektronische Leitungsschutzschaltung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinheit (36) zumindest eine Schmelzsicherung (40, 42) umfasst, insbesondere wobei die Schmelzsicherung (40, 42) anspricht, wenn das Kurzschluss-Schaltelement (38) schaltet.

4. Elektronische Leitungsschutzschaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinheit (36) wenigstens eine pyrotechnische Sicherung (48) umfasst, die in einer Leitung (20, 22) angeordnet ist, wobei die Steuerung (26) eingerichtet ist, die pyrotechnische Sicherung (48) mittels eines elektrisch Zündungsimpulses zu zünden.

5. Elektronische Leitungsschutzschaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in der Leitung (20, 22), in der das Stromsteuer-Schaltelement (28, 30) angeordnet ist, ein Stromsensor (32, 34) vorgesehen ist, insbesondere in beiden Leitungen (20, 22), wobei der wenigstens eine Stromsensor (32, 34) mit der Steuerung (26) in Kommunikationsverbindung steht.

6. Elektronische Leitungsschutzschaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Spannungssensor (44, 46) vorgesehen ist, der eingerichtet ist, die Spannung über beide Leitungen (20, 22) zu messen, wobei der Spannungssensor (44, 46) mit der Steuerung (26) in Kommunikationsverbindung steht.

7. Leitungsschutzsystem (50) umfassend eine Bus-Leiterplatte (60), eine Steuerkarte (56) und zumindest eine diskrete Leitungsschutzkarte (58), wobei die Steuerkarte (56) und die diskrete Leitungsschutzkarte (58) jeweils mit der Bus-Leiterplatte (60) gekoppelt sind, wobei die diskrete Leitungsschutzkarte (58) zumindest teilweise eine elektronische Leitungsschutzschaltung (10) umfasst, insbesondere eine elektronische Leitungsschutzschaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

8. Elektronische Leitungsschutzschaltung (10), die eingerichtet ist, ein Verfahren zum Schützen einer Last (24) durchzuführen, insbesondere wobei die elektronische Leitungsschutzschaltung (10) eine Leitungsschutzschaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist, bei dem ein Stromsteuer-Schaltelement (28, 30) über eine Steuerung (26) angesteuert wird, sofern ein zu hoher Energiefluss detektiert wird, um den Stromfluss durch eine dem Stromsteuer-Schaltelement (28, 30) zugeordnete Leitung (20, 22) zu unterbrechen, wobei eine Schutzeinheit (36) elektronisch angesteuert wird, die den Stromfluss in mechanischer Weise unterbricht, wenn das Stromsteuer-Schaltelement (28, 30) ausgefallen ist.

9. Elektronische Leitungsschutzschaltung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinheit (36) ein Kurzschluss-Schaltelement (38) und eine Schmelzsicherung (40, 42) umfasst, wobei das Kurzschluss-Schaltelement (38) elektronisch angesteuert wird, um die spannungsführenden Leitungen (20, 22) kurzzuschließen, sodass die Schmelzsicherung (40, 42) anspricht und den Stromfluss in mechanischer Weise unterbricht.

10. Elektronische Leitungsschutzschaltung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinheit (36) eine pyrotechnische Sicherung (48) umfasst, die über einen elektrischen Zündungsimpuls von der Steuerung (26) angesteuert wird, um den Stromfluss in mechanischer Weise zu unterbrechen.

Description:

Die Erfindung betrifft eine elektronische Leitungsschutzschaltung sowie ein Leitungsschutzsystem zum Schützen einer Last.

Aus dem Stand der Technik sind elektronische Leitungsschutzschaltungen bekannt, die beispielsweise in Bahnfahrzeugen eingesetzt werden. Die verwendeten elektronischen Leitungsschutzschaltungen müssen unter allen Bedingungen ein sicheres Abschalten gewährleisten, sodass das elektrische Netzwerk im Fahrzeug geschützt ist, insbesondere vor gefährlichen Fehlern, Überlastungen und Kurzschlüssen. Das elektrische Netzwerk umfasst unter anderem das Leistungsnetz. Üblicherweise ist eine Leitungsschutzschaltung in einem Leitungsschutzsystem verwirklicht, das neben der Leitungsschutzschaltung weitere Komponenten umfassen kann, insbesondere hardwareseitige Komponenten.

Im Stand der Technik wird bisher eine Leitungsschutzschaltung mit einem integrierten Schütz oder einem mechanischen Relais verwendet, der bzw. das gegen Überlastung, Schädigung und Kurzschlüsse absichert. Diese Schutztechnik ist jedoch betreuungsaufwendig, weswegen sie auch während der Fahrt eines Bahnfahrzeugs immer und leicht zugänglich sein muss. Darüber hinaus lassen sich Bedienungsfehler bei dieser Schutztechnik nicht zuverlässig ausschließen.

Zudem sind die im Stand der Technik verwendeten Schütze und Relais verhältnismäßig träge, sodass eine gewünschte sehr schnelle Stromlosschaltung nicht erreicht werden kann. Dies kann zu Beschädigungen der zunehmend sensibleren Elektronik im elektrischen Netzwerk im Bahnfahrzeug führen. Des Weiteren sind die verwendeten Bauteile teuer und groß, wodurch die Kosten hoch und der benötigte Bauraum groß sind.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine zuverlässig arbeitende, schnelle und einfach aufgebaute elektronische Leitungsschutzschaltung, ein Leitungsschutzsystem sowie ein entsprechendes Verfahren zum Schützen einer Last bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische Leitungsschutzschaltung zum Schutz einer Last gelöst, mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen, die jeweils über eine Leitung mit einem zugeordneten Eingang in Verbindung stehen, wobei in zumindest einer Leitung ein Stromsteuer-Schaltelement vorgesehen ist, das eingerichtet ist, den Stromfluss durch die entsprechenden Leitungen zu steuern, wobei eine Steuerung vorgesehen ist, die eingerichtet ist, das Stromsteuer-Schaltelement anzusteuern, wobei eine elektronisch angesteuerte, mechanische Schutzeinheit vorgesehen ist, wobei die Steuerung eingerichtet ist, ein Ausfall des wenigstens einen Stromsteuer-Schaltelements zu erkennen und die Schutzeinheit elektronisch anzusteuern, sodass diese den Stromfluss in mechanischer Weise unterbricht.

Der Grundgedanke der Erfindung ist es, dass ein zweiter Mechanismus vorgesehen ist, der eine sichere Abschaltung gewährleistet und ergänzend zum ersten Mechanismus ist, der durch das zumindest eine Stromsteuer-Schaltelement ausgebildet ist. Der zweite Mechanismus ist durch die elektrisch angesteuerte, mechanische Schutzeinheit gebildet, die entsprechend wenigstens einer Leitung zugeordnet ist. Sofern das Stromsteuer-Schaltelement ausfällt, greift der zweite Mechanismus, also die Schutzeinheit, sodass die sichere Abschaltung auch bei Ausfall des Stromsteuer-Schaltelements gewährleistet ist. Bei dem Stromsteuer-Schaltelement und der elektronisch angesteuerten, mechanischen Schutzeinheit handelt es sich um zwei unabhängige Mechanismen zur Trennung des Stromkreises, die nicht gleichzeitig bzw. aufgrund der gleichen Ursache versagen. Somit ist ein redundanter Leitungsschutz gewährleistet. Aufgrund dessen lässt sich unter anderem die Sicherheitsanforderung SIL2 in einfacher Weise erfüllen, also das Sicherheits-Integritätslevel 2, was beispielsweise im Bahnbereich gefordert ist. Bei dem Stromsteuer-Schaltelement kann es sich um einen Feldeffekttransistor handeln, beispielsweise einen MOSFET. Das Stromsteuer-Schaltelement und die mechanische Schutzeinheit können generell derart ausgebildet sein, dass sie eine komplementäre Funktion bereitstellen, indem sie hoch- bzw. niederohmig sind, wodurch praktisch ausgeschlossen ist, dass beide Schutzmechanismen aufgrund der gleichen Ursache versagen.

Bei der angelegten Spannung kann es sich um eine symmetrische Spannung oder um eine massebezogene Spannung handeln. Die Spannung beträgt beispielsweise 110 V oder 24 V.

Die Eingänge und Ausgänge stellen sicher, dass ein Strom fließt. Demnach können ein Eingang und ein Ausgang mit Masse verbunden sein, beispielsweise wenn eine massebezogene Spannung vorgesehen ist.

Die verwendeten Komponenten der Leitungsschutzschaltung, insbesondere die des ersten Schutzmechanismus, können durch Halbleiter-Bauteile, insbesondere Halbleiter-Schaltungen, und Mikroprozessoren realisiert sein, die zuverlässiger und schneller als mechanische Bauteile sind. Hierdurch ist eine kompakte Leitungsschutzschaltung geschaffen, die schnell und zuverlässig arbeitet und darüber hinaus wenig Bauraum benötigt. Die Abmessungen und das Gewicht sind entsprechend reduziert im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Leitungsschutzschaltungen.

Insbesondere kann in beiden Leitungen jeweils ein Stromsteuer-Schaltelement vorgesehen sein. Somit kann der Stromfluss in beiden Leitungen in elektronischer Weise gesteuert werden. Die beiden Stromsteuer-Schaltelemente stellen gemeinsam den ersten Schutzmechanismus dar.

Ein Aspekt sieht vor, dass die Schutzeinheit ein elektronisch anzusteuerndes Kurzschluss-Schaltelement umfasst, das mit den beiden Leitungen verbunden ist und eingerichtet ist, die beiden Leitungen beim Ausfall des wenigstens einen Stromsteuer-Schaltelements kurzzuschließen. Bei dem Kurzschluss-Schaltelement handelt es sich vorzugsweise um einen Thyristor, der über die Steuerung angesteuert wird, um einen Kurzschluss zwischen den beiden Leitungen zu verursachen. Folglich wird bewusst ein Kurzschluss zwischen den beiden Leitungen initiiert, sofern das Stromsteuer-Schaltelement ausgefallen ist. Bei dem Kurzschluss-Schaltelement kann es sich um einen Thyristor handeln, der entsprechend von der Steuerung angesteuert wird, um dauerhaft in den leitenden Zustand versetzt zu werden. Das Kurzschluss-Schaltelement ist demnach zwischen den beiden spannungsführenden Leitungen vorgesehen, wobei hierunter auch eine massebezogene Spannung zu verstehen ist. Alternativ zum Thyristor kann das Kurzschluss-Schaltelement durch ein anderes Bauelement ausgebildet sein, unter anderem ein mechanisches Schaltelement. Beispielsweise ist ein Relais vorgesehen, insbesondere ein bistabiles Relais.

Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Schutzeinheit zumindest eine Schmelzsicherung umfasst, insbesondere wobei die Schmelzsicherung anspricht, wenn das Kurzschluss-Schaltelement schaltet. Die Schmelzsicherung ist somit ebenfalls Teil der mechanischen Schutzeinheit, wobei die Schmelzsicherung die mechanische Trennung wenigstens einer der beiden Leitungen zur Folge hat, sodass in mechanischer Weise der Stromfluss durch die entsprechende Leitung unterbrochen ist. Insbesondere sind zwei Schmelzsicherungen vorgesehen, die jeweils in einer entsprechenden Leitung angeordnet sind. Sofern das Kurzschluss-Schaltelement in den stromleitenden Zustand geschaltet worden ist, lösen beide Schmelzsicherungen aus.

Generell ist hierdurch gewährleistet, dass der Stromfluss vom Stromsteuer-Schaltelement in elektronischer Weise abgeschaltet werden kann, sofern das Stromsteuer-Schaltelement eine sperrende, also hochohmige, Stellung einnimmt. Sofern das Stromsteuer-Schaltelement ausgefallen ist, weil es beispielsweise durchlegiert ist, kommt die elektronisch angesteuerte, mechanische Schutzeinheit zum Tragen, die den Stromfluss in mechanischer Weise unterbricht. Das Kurzschluss-Schaltelement der mechanischen Schutzeinheit wird elektronisch angesteuert, sodass es in den leitenden, also niederohmigen, Zustand versetzt wird, wodurch es einen Kurzschluss zwischen den beiden spannungsführenden Leitungen verursacht. Es wird folglich aktiv ein Kurzschluss zwischen den beiden Leitungen erzeugt. Aufgrund des Kurschlusses löst die wenigstens eine Schmelzsicherung aus, wodurch der Stromfluss durch die entsprechende Leitung mechanisch unterbrochen ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schutzeinheit wenigstens eine pyrotechnische Sicherung, die in einer Leitung angeordnet ist, wobei die Steuerung eingerichtet ist, die pyrotechnische Sicherung mittels eines elektrischen Zündungsimpulses zu zünden. Aufgrund des Zündungsimpulses der Steuerung löst die pyrotechnische Sicherung aus, wodurch der Stromfluss durch wenigstens eine Leitung, in der die pyrotechnische Sicherung angeordnet ist, in mechanischer Weise unterbrochen wird. Hierdurch ist ebenfalls sichergestellt, dass sich der Stromfluss sowohl in elektronischer Weise über das Stromsteuer-Schaltelement bzw. in mechanischer Weise über die Schutzeinheit, insbesondere die pyrotechnische Sicherung, unterbrechen lässt. Insbesondere können in beiden Leitungen pyrotechnische Sicherungen vorgesehen sein, sodass der Stromfluss in beiden Leitungen in mechanischer Weise unterbrochen werden kann.

Ferner kann zumindest in der Leitung, in der das Stromsteuer-Schaltelement angeordnet ist, ein Stromsensor vorgesehen sein, insbesondere in beiden Leitungen, wobei der wenigstens eine Stromsensor mit der Steuerung in Kommunikationsverbindung steht. Die Steuerung erhält somit Informationen vom Stromsensor über die Stromstärke in der entsprechenden Leitung, sodass das Stromsteuer-Schaltelement aufgrund eines Überstroms von der Steuerung angesteuert werden kann. Insbesondere ist in jeder Leitung ein Stromsensor vorgesehen, um die Stromstärken in den entsprechenden Leitungen zu erfassen. Der Stromsensor kann über einen Hall-Sensor realisiert sein. Der Stromsensor lässt sich auch durch einen Shunt-Widerstand ausbilden, über den die Spannung erfasst wird, um auf den entsprechenden Strom zu schließen, insbesondere die Stromstärke.

Zudem kann ein Spannungssensor vorgesehen sein, der eingerichtet ist, die Spannung über beide Leitungen zu messen, wobei der Spannungssensor mit der Steuerung in Kommunikationsverbindung steht. Dementsprechend kann das Stromsteuer-Schaltelement aufgrund einer bestimmten Spannung angesteuert werden, um den Stromfluss in elektronischer Weise zu unterbrechen. Insbesondere sind zwei Spannungssensoren vorgesehen, die den Eingängen und den Ausgängen zugeordnet sind.

Generell können sowohl wenigstens ein Stromsensor und ein Spannungssensor vorgesehen sein, sodass die Steuerung eingerichtet ist, den Energiefluss zu erfassen. Die Abschaltung erfolgt demnach über die Leitungsschutzschaltung bei zu hohem Energiefluss und nicht bei Erreichen eines zulässigen Grenz- bzw. Abschaltstroms. Dies ist dadurch gewährleistet, dass sowohl der Strom als auch die Spannung gleichzeitig erfasst werden.

Zudem stellt die Erfindung ein Leitungsschutzsystem bereit, das eine Bus-Leiterplatte, eine Steuerkarte und zumindest eine diskrete Leitungsschutzkarte umfasst, wobei die Steuerkarte und die diskrete Leitungsschutzkarte jeweils mit der Bus-Leiterplatte gekoppelt sind, wobei die diskrete Leitungsschutzkarte zumindest teilweise eine elektronische Leitungsschutzschaltung umfasst, insbesondere eine elektronische Leitungsschutzschaltung der zuvor genannten Art. Das Leitungsschutzsystem ist somit diskret aufgebaut, wobei die Steuerkarte und die Leitungsschutzkarte voneinander getrennt ausgebildet sind. Die Steuerkarte kann einen Mikroprozessor umfassen, der zumindest Teil der Steuerung ist. An die entsprechende Leitungsschutzkarte wird eine zugeordnete Last angeschlossen, die über die Leitungsschutzkarte geschützt ist. Die sicherheitsrelevanten Komponenten der Leitungsschutzschaltung, beispielsweise die Stromsteuer-Schaltelemente sowie die Schutzeinheit sind auf der diskreten Leitungsschutzkarte vorgesehen, wohingegen die Steuerung auf der Steuerkarte ausgebildet ist. Die Steuerkarte und die Leitungsschutzkarte stehen in Kommunikationsverbindung miteinander, insbesondere über die Bus-Leiterplatte. Die Steuerkarte kann ferner einen ProfiNet bzw. Ethernet-Anschluss aufweisen, über den eine Kommunikation möglich ist.

Die Leitungsschutzkarte kann ferner unter anderem den Stromsensor und den Spannungssensor umfassen. Des Weiteren hat die diskrete Leitungsschutzkarte eine Schnittstelle für die Steuerkarte. Sowohl die diskrete Leitungsschutzkarte als auch die Steuerkarte können mit der Bus-Leiterplatte gekoppelt sein, über die die Karten miteinander steuerungstechnisch gekoppelt sind. Bei dem Bus kann es sich um einen Profibus handeln.

Zur Identifizierung der jeweiligen diskreten Leitungsschutzkarte kann diese eine entsprechende Codier-Schnittstelle für einen Codier-Stecker aufweisen, sodass die übertragenen Daten codiert sind und somit eindeutig zugeordnet werden können. Die Steuerkarte weist entsprechend eine PROFIsafe-Schnittstelle auf, über die die codierten Signale empfangen und weiterverarbeitet werden können. Bei den diskreten Leitungsschutzkarten kann es sich um universelle Karten handeln, die vor Ort parametriert werden, insbesondere über den Codier-Stecker.

Des Weiteren kann die Leitungsschutzkarte eine Diagnoseschnittstelle umfassen, über die die diskrete Leitungsschutzkarte Diagnosedaten an die Steuerkarte übermittelt, beispielsweise Daten bezüglich des Stroms, der Spannung und/oder der Temperatur.

Folglich sind ein Diagnosekanal sowie eine diskrete Signalübertragung über einen Kommunikationskanal zwischen jeder diskreten Leitungsschutzkarte und der Steuerkarte vorgesehen, insbesondere über die Bus-Leiterplatte.

Das elektronische Leitungsschutzsystem kann in einem 19-Zoll-Baugruppenträger eingebaut sein, sodass ein universeller Baugruppenträger verwendet werden kann, insbesondere eine entsprechende Backplane-Technik. Bei den Karten handelt es sich beispielsweise um standardisierte Leiterplatten, die eine Größe von 100 × 250mm aufweisen können.

Ferner stellt die Erfindung eine elektronische Leitungsschutzschaltung zum Schützen einer Last bereit, insbesondere wobei mit die elektronische Leitungsschutzschaltung gemäß der zuvor genannten Art ausgebildet ist, wobei die elektronische Leitungsschutzschaltung eingerichtet ist, ein Verfahren durchzuführen, bei dem ein Stromsteuer-Schaltelement über eine Steuerung angesteuert wird, sofern ein zu hoher Energiefluss detektiert wird, um den Stromfluss durch eine dem Stromsteuer-Schaltelement zugeordnete Leitung zu unterbrechen, wobei eine Schutzeinheit elektronisch angesteuert wird, die den Stromfluss in mechanischer Weise unterbricht, wenn das Stromsteuer-Schaltelement ausgefallen ist. Somit ist sichergestellt, dass die Last durch zwei unabhängige Mechanismen geschützt wird, die nicht aufgrund der gleichen Ursache ausfallen. Die Last wird einmal elektronisch über das Stromsteuer-Schaltelement geschützt sowie in mechanischer Weise über die Schutzeinheit, die elektronisch angesteuert wird. Die Steuerung erkennt dabei den Zustand des Stromsteuer-Schaltelements, insbesondere einen Ausfall des Stromsteuer-Schaltelements, sodass die Steuerung die Schutzeinheit entsprechend elektrisch ansteuert, um sicherzustellen, dass der zweite Mechanismus greift.

Insbesondere umfasst die Schutzeinheit ein Kurzschluss-Schaltelement und eine Schmelzsicherung, wobei das Kurzschluss-Schaltelement elektronisch angesteuert wird, um die spannungsführenden Leitungen kurzzuschließen, sodass die Schmelzsicherung anspricht und den Stromfluss in mechanischer Weise unterbricht. Folglich wird aktiv ein Kurzschluss zwischen den beiden spannungsführenden Leitungen erzeugt, der das Auslösen der Schmelzsicherung zur Folge hat.

Alternativ oder ergänzend kann die Schutzeinheit eine pyrotechnische Sicherung umfassen, die über einen elektrischen Zündungsimpuls von der Steuerung angesteuert wird, um den Stromfluss in mechanischer Weise zu unterbrechen. Die Schutzeinheit stellt dabei ebenfalls sicher, dass der Stromfluss in mechanischer Weise unterbrochen wird, indem die pyrotechnische Sicherung die Leitung in mechanischer Weise unterbricht. Dies geschieht in analoger Weise zu einer Schmelzsicherung, die den Stromfluss durch die entsprechende Leitung ebenfalls in mechanischer Weise unterbricht. Die pyrotechnische Sicherung erhält lediglich einen elektrischen Zündungsimpuls, der direkt von der Steuerung ausgeht, sodass ein zusätzliches Kurzschluss-Schaltelement nicht benötigt wird.

Weiter Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektronischen Leitungsschutzschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform,

2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektronischen Leitungsschutzschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform,

3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Leitungsschutzsystems, und

4 eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Leitungsschutzsystems gemäß 3.

In 1 ist eine elektronische Leitungsschutzschaltung 10 gezeigt, die beispielsweise in einem Bahnfahrzeug eingesetzt werden kann, um das elektrische Netz des Bahnfahrzeugs zu sichern.

Die elektronische Leitungsschutzschaltung 10 umfasst zwei Eingänge 12, 14 sowie zwei Ausgänge 16, 18, die jeweils über eine Leitung 20, 22 mit einem zugeordneten der beiden Eingänge 12, 14 in Verbindung stehen.

An den Ausgängen 16, 18 ist eine Last 24 angeschlossen, die über die Leitung 20, 22 mit einer Spannung versorgt wird. Bei der Spannung kann es sich um eine Gleichspannung von 110 V oder 24 V handeln. Beispielsweise ist die Spannung symmetrisch oder massebezogen. Einer der beiden Eingänge 12, 14 und einer der beiden Ausgänge 16, 18 können entsprechend an Masse anliegen.

Zudem weist die elektronische Leitungsschutzschaltung 10 eine Steuerung 26 auf, die in 1 lediglich schematisch dargestellt ist.

Des Weiteren umfasst die elektronische Leitungsschutzschaltung 10 zwei Stromsteuer-Schaltelemente 28, 30, die jeweils einer Leitung 20, 22 zugeordnet sind. Zudem ist in jeder Leitung 20, 22 ein Stromsensor 32, 34 vorgesehen, der jeweils zwischen den Stromsteuer-Schaltelementen 28, 30 und dem entsprechenden Ausgang 16, 18 angeordnet ist. Die Stromsensoren 32, 34 übermitteln an die Steuerung 26 die entsprechend erfassten Stromstärken in den Leitungen 20, 22. Bei den beiden Stromsteuer-Schaltelementen 28, 30 handelt es sich in der gezeigten Ausführungsform um Feldeffekttransistoren, beispielsweise MOSFETs. Zudem kann jedem Stromsteuer-Schaltelement 28, 30 eine Freilaufdiode für induktive Lasten zugeordnet sein.

Die Stromsensoren 32, 34 können durch Shunt-Widerstände ausgebildet sein, über die die Spannung gemessen wird, um den entsprechenden Strom zu ermitteln. Auch Hall-Sensoren sind unter anderem als Stromsensoren 32, 34 einsetzbar.

Aus der 1 geht ferner hervor, dass die elektronische Leitungsschutzschaltung 10 eine mechanische Schutzeinheit 36 aufweist, die in der gezeigten Ausführungsform ein Kurzschluss-Schaltelement 38 umfasst, das die beiden Leitungen 20, 22 miteinander verbindet. Bei dem Kurzschluss-Schaltelement 38 handelt es sich beispielsweise um einen Thyristor, der von der Steuerung 26 elektronisch ansteuerbar ist, um in einen leitenden, also niederohmigen, Zustand versetzt zu werden. Alternativ zum Thyristor kann das Kurzschluss-Schaltelement 38 durch ein anderes Bauelement ausgebildet sein, unter anderem ein mechanisches Schaltelement. Das Kurzschluss-Schaltelement 38 lässt sich durch ein Relais realisieren, insbesondere ein bistabiles Relais.

Zudem umfasst die mechanische Schutzeinheit 36 zwei Schmelzsicherungen 40, 42, die jeweils in den beiden Leitungen 20, 22 angeordnet sind. Die beiden Schmelzsicherungen 40, 42 sind stromaufwärts vom Kurzschluss-Schaltelement 38 angeordnet, also zwischen den Eingängen 12, 14 und dem Kurzschluss-Schaltelement 38, wie nachfolgend noch erläutert wird.

Des Weiteren hat die elektronische Leitungsschutzschaltung 10 in der gezeigten Ausführungsform zwei Spannungssensoren 44, 46, die die Eingangsspannung an den beiden Eingängen 12, 14 sowie die Ausgangsspannung an den beiden Ausgängen 16, 18 messen.

Die Steuerung 26 ist unter anderem dazu eingerichtet, die Daten der Stromsensoren 32, 34 sowie die Daten der Spannungssensoren 44, 46 zu erhalten. Bei den Daten handelt es sich beispielsweise um die Strom- bzw. Spannungsstärken. Ferner können weitere Daten übertragen werden, wie Temperaturen. Zudem ist die Steuerung 26 eingerichtet, die Stromsteuer-Schaltelemente 28, 30 sowie die mechanische Schutzeinheit 36 anzusteuern.

Im regulären Betrieb erhält die elektronische Leitungsschutzschaltung 10 die Daten der Stromsensoren 32, 34 sowie die Daten der Spannungssensoren 44, 46, sodass sie unter anderem den Energiefluss durch die elektronische Leitungsschutzschaltung 10 bzw. durch die beiden Leitungen 20, 22 ermittelt. Sofern der Energiefluss zu hoch werden sollte, steuert die Steuerung 26 ein oder beide Stromsteuer-Schaltelement(e) 28, 30 an, um den Stromfluss durch zumindest eine der beiden Leitungen 21, 22 zu unterbrechen. Folglich wird der Stromfluss über den ersten Sicherheitsmechanismus, der durch die beiden Stromsteuer-Schaltelemente 28, 30 gebildet ist, in elektronischer Weise unterbrochen.

Sofern ein Stromsteuer-Schaltelement 28, 30 oder beide Stromsteuer-Schaltelemente 28, 30 ausgefallen sein sollten, erkennt dies die Steuerung 26. Daraufhin steuert die Steuerung 26 die mechanische Schutzeinheit 36 in elektronischer Weise an, sodass das elektronisch angesteuerte Kurzschluss-Schaltelement 38 in den leitenden Zustand übergeht, wodurch die beiden Leitungen 20, 22 aktiv kurzgeschlossen werden. Der Kurzschluss zwischen den beiden Leitungen 20, 22 löst die Schmelzsicherungen 40, 42 in den beiden Leitungen 20, 22 aus, die stromaufwärts des Kurzschluss-Schaltelements 38 angeordnet sind, wodurch der Stromfluss durch die beiden Leitungen 20, 22 wirkungsvoll in mechanischer Weise unterbrochen ist, also eine galvanische Trennung der entsprechenden Leitung 20, 22 vorliegt,

Das Kurzschluss-Schaltelement 38 ist dementsprechend niederohmig im ausgelösten Zustand, wohingegen die Stromsteuer-Schaltelemente 28, 30 im geschalteten Zustand hochohmig sind. Folglich liegen zwei unabhängige, komplementäre Sicherheitsmechanismen vor, um den Stromfluss zuverlässig zu unterbrechen. Insbesondere wird die mechanische Schutzeinheit 36 dann elektronisch angesteuert, wenn die Stromsteuer-Schaltelemente 28, 30 durchlegiert sein sollten. Dies wird beispielsweise über eine entsprechende Temperaturüberwachung wirkungsvoll erkannt.

In 2 ist eine weitere Ausführungsform der elektronischen Leitungsschutzschaltung 10 gezeigt, die sich von der ersten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, dass die mechanische Schutzeinheit 36 eine pyrotechnische Sicherung 48 umfasst, die von der Steuerung 26 elektronisch angesteuert wird, um zu zünden.

Folglich funktioniert die zweite Ausführungsform der elektronischen Leitungsschutzschaltung 10 in analoger Weise zur ersten Ausführungsform, da die mechanische Schutzeinheit 36 von der Steuerung 26 dann elektronisch angesteuert wird, wenn ein Stromsteuer-Schaltelement 28, 30 oder beide Stromsteuer-Schaltelemente 28, 30 ausgefallen ist bzw. sind.

Die pyrotechnische Sicherung 48 der mechanischen Schutzeinheit 36 stellt dabei in analoger Weise zu den Schmelzsicherungen 40, 42 der ersten Ausführungsform sicher, dass der Stromfluss durch zumindest eine der beiden Leitungen 20, 22 in mechanischer Weise unterbrochen ist, also eine galvanische Trennung vorliegt.

Somit ist gewährleistet, dass der Stromfluss gemäß dem ersten Sicherheitsmechanismus in elektronischer Weise unterbrochen wird und gemäß eines zweiten Sicherheitsmechanismus in mechanischer Weise.

In den 3 und 4 ist ein Leitungsschutzsystem 50 gezeigt, das die elektronische Leitungsschutzschaltung 10 umfasst.

Das Leitungsschutzsystem 50 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen Baugruppenträger 52, insbesondere einen 19“-Baugruppenträger, in den Leiterplatten 54 eingesetzt werden. Bei den Leiterplatten 54 handelt es sich um eine diskrete Steuerkarte 56 sowie mehrere diskrete Leitungsschutzkarten 58, die über die Steuerkarte 56 angesteuert werden können.

Das Leitungsschutzsystem 50 weist hierzu eine Bus-Leiterplatte 60, die ein sogenanntes Backplane darstellt. Die Leiterplatten 54 stehen jeweils über die Bus-Leiterplatte 60 miteinander in Kommunikationsverbindung. Zudem erhalten die Leiterplatten 54 über die Bus-Leiterplatte 60 ihre Stromversorgung, sodass jede der diskreten Leitungsschutzkarten 58 eine separate und eigenständige Stromversorgung aufweist. Dies gilt auch für die Steuerkarte 56.

Aus der 4 geht hervor, dass jede diskrete Leitungsschutzkarte 58 eine Codier-Schnittstelle 62 aufweist, die zur Aufnahme eines Codier-Steckers dient, wodurch die diskrete Leitungsschutzkarte 58 parametrisiert wird. Die Codier-Schnittstelle 62 ist bereits in den Ausführungsformen der 1 und 2 gezeigt.

Entsprechend der Parametrisierung der ansonsten universell einsetzbaren Leitungsschutzkarte 58 erfolgt eine codierte Signalübertragung über einen entsprechenden Kommunikationskanal 64 an die Steuerkarte 56. Bei dem Kommunikationskanal 64 handelt es sich um einen bidirektionalen Kommunikationskanal.

Des Weiteren hat das Leitungsschutzsystem 50 einen Diagnosekanal 66, über den die Leitungsschutzkarte 58 erfasste Diagnosedaten an die Steuerkarte 56 senden kann.

Sowohl der Kommunikationskanal 64 als auch der Diagnosekanal 66 sind unter anderem über die Bus-Leiterplatte 60 ausgebildet, sodass die Daten von jeder diskreten Leitungsschutzkarte 58 über die Bus-Leiterplatte 60 an die gemeinsame Steuerkarte 56 gesendet werden. Ebenso erfolgt die Ansteuerung von der Steuerkarte 56 über die Bus-Leiterplatte 60 auf die entsprechende diskrete Leitungsschutzkarte 58.

Auf der Steuerkarte 56 sind unter anderem ein Mikroprozessor 68, eine PROFIsafe-Schnittstelle 70 sowie eine ProfiNet- bzw. Ethernet-Schnittstelle 72 vorgesehen, die zur entsprechenden Kommunikation dienen.

Wie aus der 4 ferner hervorgeht, weist die Leitungsschutzkarte 58 unter anderem die Stromsteuer-Schaltelemente 28, 30 und die Schutzeinheit 36 der Leitungsschutzschaltung 10 auf, wohingegen die Steuerkarte 56 die Steuerung 26 aufweist. Jede der Leitungsschutzkarten 58 bildet eine Leitungsschutzschaltung 10 aus, wobei für jede Leitungsschutzschaltung 10 eine gemeinsame Steuerung 26 verwendet wird, die durch die Steuerkarte 56 bereitgestellt wird.

Sofern das Leitungsschutzsystem 50, insbesondere eine Leitungsschutzschaltung 10 einer entsprechenden Leitungsschutzkarte 58, auslöst, um eine daran angeschlossene Last 24 zu schützen, lässt sich die entsprechende Leitungsschutzkarte 58 anschließend in einfacher Weise austauschen. Die separat ausgebildete Steuerkarte 56, die die gemeinsame Steuerung 26 für sämtliche Leitungsschutzschaltungen 10 umfasst, kann weiterhin genutzt werden.

Da während des Betriebs des Leitungsschutzsystems 50 unter anderem Diagnosedaten übermittelt werden, kann ein drohender Ausfall von zumindest einer der Leitungsschutzkarten 58 frühzeitig diagnostiziert und entsprechende Maßnahmen getroffen werden, beispielsweise wird die entsprechende Leitungsschutzkarte 58 ersetzt, bevor einer der Stromsteuer-Schaltelement 28, 30 ausfällt.

Zur Übertragung der entsprechenden Daten, beispielsweise Diagnose- oder Zustandsdaten, weist jede der Leitungsschutzkarten 58 eine Diagnoseeinheit 74 auf, über die Überstrom-, Kurzschluss- oder sonstige Zustände erfasst werden, die auf einen Fehler schließen lassen. Die Diagnoseeinheit 74 umfasst unter anderem die Stromsensoren 32, 34, die Spannungssensoren 44, 46 sowie Temperatursensoren.