DE10117853A1

DE10117853A1 - Überstromauslösevorrichtung mit einem Schaltungsteil zur Erfassung der Kurvenform eines zu überwachenden Stromes sowie Verfahren zu ihrem Betrieb

Info

Publication number: DE10117853A1
Application number: DE2001117853
Authority: DE
Inventors: Andreas Pancke; Hans Rehaag; Wolfgang Roehl; Peter Schust
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2001-04-04
Publication date: 2002-10-10

Abstract

Eine Überstromauslösevorrichtung (6) dient zur Steuerung eines Niederspannungs-Leistungsschalters (1). Der Überstromauslösevorrichtung (6) ist ein Schaltungsteil (8) zur Erfassung der Kurvenform eines durch den Leistungsschalter (1) fließenden zu überwachenden Stromes (I) zugeordnet, um einen eventuell vorhandenen Oberwellengehalt zu berücksichtigen. Ein elektronischer Speicher (9) weist eine Anzahl von Speicherplätzen für unterschiedliche mögliche Kurvenformen (F(I)) des zu überwachenden Stromes (I) auf. Bei Übereinstimmung der erfassten Kurvenform und einer der gespeicherten Kurvenformen wird ein zugehöriger Korrekturfaktor (K) an ein in der Überstromauslösevorrichtung (6) enthaltenes Schutzmodul (11) übergeben, um die Auslösung des Leistungsschalters (1) entsprechend zu steuern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überstromauslösevorrichtung mit einem Schaltungsteil zur Erfassung der Kurvenform eines zu überwachenden Stromes und mit einem Schutzmodul zur Abgabe eines Steuersignals an einem Leistungsschalter zur Öffnung von Schaltkontakten des Leistungsschalters in Abhängigkeit von einer Strom-/Zeitkennlinie für eine jeweils erfasste Kurvenform des zu überwachenden Stromes. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren für den Betrieb einer solchen Überstromauslösevorrichtung.

Solange der in elektrischen Verbrauchern und Versorgungsnetzen fließende Strom sinusförmig ist, gilt eine einheitliche Strom-/Zeitkennlinie für den Zusammenhang zwischen dem jeweils fließenden Strom und der Zeit, während welcher die Verbraucher und Kabel dem betreffenden Strom ausgesetzt sein dürfen. Befinden sich jedoch in dem Versorgungsnetz Verbraucher oder andere Betriebsmittel mit nicht-linearem Verhalten, z. B. mit einer Anschnittsteuerung arbeitende Leistungshalbleiter, so überlagern sich dem sinusförmigen Strom mit der Grundfrequenz des betreffenden Versorgungsnetzes (i. d. R. 50 oder 60 Hz) Oberwellen einer höheren Frequenz. Dieser Oberwellengehalt des Stromes (THD = Total Harmonic Distortion) kann einen erheblichen Einfluss auf die Erwärmung von Kabeln und Verbrauchern ausüben. In diesen Fällen ist es erforderlich, den Schutzmodul der Überstromauslösevorrichtung auf angepasste Werte einzustellen, um Schäden bzw. Betriebsstörungen zu vermeiden.

Durch die US 5,600,527 ist es bereits bekannt, eine Überstromauslösevorrichtung mit einem Schaltungsteil zur Erfassung der Kurvenform eines zu überwachenden Stromes zu versehen und einem Benutzer den jeweils vorliegenden Oberwellengehalt anzuzeigen. Ferner wird der Oberwellengehalt dem Schutzmodul zugeführt, um die Abgabe der Steuersignale zur Auslösung des Leistungsschalters entsprechend zu verändern.

Die zur Erfassung des Oberwellengehaltes erforderlichen Abtast- und Rechenvorgänge nehmen einen erheblichen Teil der Rechenkapazität des in dem Schutzmodul enthaltenen Mikroprozessors in Anspruch. Dies kann zur Folge haben, dass keine ausreichende Arbeitsleistung des Mikroprozessors für andere wichtige Schutzaufgaben der Überstromauslösevorrichtung zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt in diesem Zusammenhang die Aufgabe zugrunde, die Erfassung der Kurvenform eines zu überwachenden Stromes zwecks Ermittlung des Oberwellengehaltes zu vereinfachen und zu beschleunigen, damit eine ausreichende Arbeitsleistung für die weiteren Schutzaufgaben der Überstromauslösevorrichtung zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst:

- Der Überstromauslösevorrichtung ist ein elektronischer Speicher mit Speicherplätzen für unterschiedliche Kurvenformen des zu überwachenden Stromes sowie für den einzelnen Kurvenformen zugewiesene Korrekturfaktoren der Strom-/Zeitkennlinie zugeordnet und,
- es ist eine Vergleichereinrichtung zum Vergleich mittels des genannten Schaltungsteiles erfasster Kurvenformen des zu überwachenden Stromes mit den im elektronischen Speicher gespeicherten Kurvenformen und zur Ausgabe eines Korrekturfaktors an den Schutzmodul vorgesehen.

Die Überstromauslösevorrichtung nach der Erfindung hat die Eigenschaft, dass eine Berechnung des Oberwellengehaltes nicht erforderlich ist und dementsprechend weniger Rechenzeit benötigt wird. Die Ermittlung des Korrekturfaktors erfolgt vielmehr durch einen Vergleich mit vorgegebenen Mustern, was entsprechend schnell durchführbar ist.

Mit Rücksicht darauf, dass in den Versorgungsnetzen aufgrund bestimmter Betriebsweisen von Verbrauchern und vorgegebener Eigenschaften der verwendeten Betriebsmittel bestimmte charakteristische Kurvenformen des Stromes auftreten, kann es ausreichend sein, in der Speichereinrichtung nur wenige typische Kurvenformen zu hinterlegen. Auf diese Weise kann die Auswertung des zu überwachenden Stromes weiter gesteigert werden.

Ein vorteilhaftes Verfahren für den Betrieb einer Überstromauslösevorrichtung der vorstehend erläuterten Art kann folgende Schritte umfassen:

- Durch Abtastung des zu überwachenden Stromes wird periodisch ein Mittel- bzw. Effektivwert des Stromes sowie die Kurvenform des Stromes bestimmt,
- die bestimmte Kurvenform wird in einer Normierstufe nach Periodendauer und Amplitude auf vorgegebene Standardwerte normiert,
- die normierte Kurvenform wird nacheinander mit gleichfalls in normiertem Format in den Speicherplätzen abgelegten Kurvenformen verglichen,
- bei Übereinstimmung der erfassten Kurvenform mit einer gespeicherten Kurvenform wird der zugehörige Korrekturfaktor ausgelesen und an den Schutzmodul übergeben und
- der Schutzmodul vergleicht die Strom-/Zeitkennlinie mit einer Rechengröße entsprechend dem erfassten Mittel- bzw. Effektivwert des Stromes und dem Korrekturfaktor und gibt ein der Stromzeitkennlinie entsprechendes Steuersignal zur Auslösung des Leistungsschalters ab.

Obwohl die in elektrischen Anlagen auftretenden Kurvenformen des Stromes nachvollziehbaren Gesetzmäßigkeiten folgen und daher ein Vergleich gespeicherter typischer Kurvenformen mit einer erfassten aktuellen Kurvenform in der Regel erfolgreich sein wird, kann der Vergleich im Einzelfall ohne Übereinstimmung enden. Dies kann z. B. dann vorkommen, wenn nach der ursprünglichen Errichtung einer industriellen Anlage deren Betriebsweise geändert wird. Diese Situation kann nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch berücksichtigt werden, dass der Vergleichereinrichtung eine Prüfstufe zugeordnet ist, die nach erfolglosem Vergleich aller gespeicherten Kurvenformen mit der erfassten aktuellen Kurvenform eine Fehlerroutine aktiviert. Ziel dieser Fehlerroutine ist es, eine sichere Reaktion der Überstromauslösevorrichtung herbeizuführen. Eine geeignete Maßnahme dieser Art kann darin bestehen, dass die Fehlerroutine eine optische und/oder akustische Anzeige sowie die Öffnung der Schaltkontakte des Leistungsschalters umfasst.

Der erfolglose Vergleich der gespeicherten Kurvenformen mit einer erfassten aktuellen Kurvenform kann jedoch darauf beruhen, dass lediglich geringe Abweichungen bestehen. In diesem Fall kann Abhilfe dadurch geschaffen werden, dass die Fehlerroutine die Erzeugung eines Steuersignals zum erneuten Start der Vergleichereinrichtung und zur Durchführung des Vergleiches der gespeicherten Kurvenformen mit der erfassten aktuellen Kurvenform mit einer vorgegebenen Toleranz umfasst. Dabei kann ferner eine Erweiterung der Fehlerroutine in der Weise vorgesehen sein, dass in der Vergleichereinrichtung mehrere Werte vorgegebener Toleranzen berücksichtigt werden und dass nach erfolglosem Vergleich der gespeicherten Kurvenformen mit der erfassten aktuellen Kurvenform auch bei Anwendung der größten vorgegebenen Toleranz eine optische und/oder akustische Anzeige sowie die Öffnung der Schaltkontakte des Leistungsschalters erfolgt.

Wird die optische und/oder akustische Anzeige aktiviert, dass der Vergleich der Kurvenformen ohne Erfolg beendet und wird der Leistungsschalter ausgelöst, so wird dies in der Regel Anlass zu einer Untersuchung der Ursachen sein. Jedoch kann in vielen Fällen die Anlage rascher in Betrieb gesetzt werden, wenn bei erfolglosem Vergleich der gespeicherten Kurvenformen mit der aktuellen erfassten Kurvenform diese zur Speicherung in der Speichereinrichtung bereitgestellt wird und auf Anforderung des Benutzers zu den bereits vorhandenen Kurvenformen hinzugefügt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Fig. 1 veranschaulicht einen Niederspannungs- Leistungsschalter mit einer Überstromauslösevorrichtung nach der Erfindung in schematischer Darstellung.

Die Fig. 2 veranschaulicht in einem Flussdiagramm ein Verfahren für den Betrieb einer Überstromauslösevorrichtung.

Die Fig. 3 zeigt eine Fehlerroutine mit Meldung eines erfolglosen Vergleiches von Kurvenformen und Auslösung eines Leistungsschalters.

Eine weitere Ausgestaltung einer Fehlerroutine, bei welcher ein erneuter Vergleich von Kurvenformen mit einer Toleranz durchgeführt wird, veranschaulicht die Fig. 4.

Die Fig. 5 zeigt eine Fehlerroutine mit der zusätzlichen Möglichkeit, eine bisher nicht aufgetretene Kurvenform eines Stromes zu speichern und damit die Schutzwirkung der Überstromauslösevorrichtung zu verbessern.

Der in der Fig. 1 gezeigte Niederspannungs-Leistungsschalter 1 besitzt ein Schaltkontaktsystem 2 oder, bei mehrpoliger Ausführung, eine entsprechende Anzahl solcher Schaltkontaktsysteme. Zum Öffnen und Schließen der Kontaktsysteme ist eine Antriebsvorrichtung 3 vorgesehen. Zur selbsttätigen Öffnung der Schaltkontaktsysteme 2 beim Auftreten eines Fehlers bzw. einer Überlastung eines Stromkreises, in den der Niederspannungs-Leistungsschalter 1 mittels seiner Anschlussschienen 4 und 5 eingefügt ist, dient eine Überstromauslösevorrichtung 6, die ein Steuersignal an die Antriebsvorrichtung 3 abgibt.

Zur Erfassung des über die Schaltkontaktsysteme 2 fließenden Stromes I ist an der Anschlussschiene 5 ein Stromsensor oder Stromwandler 7 angeordnet, dessen Ausgangssignal einem Schaltungsteil 8 zugeführt wird. Ferner ist ein elektronischer Speicher 9 mit Speicherplätzen für eine gewisse Anzahl möglicher Kurvenformen vorgesehen, wie sie beim Betrieb bestimmter Verbraucher auftreten. Eine Vergleichereinrichtung 10 dient zum Vergleich der mittels des Schaltungsteiles 8 erfassten tatsächlichen Kurvenform des durch den Leistungsschalter 1 fließenden Stromes und der in dem Speicher 9 hinterlegten Mustern möglicher Kurvenformen. Wird bei dem Vergleich in der Vergleichereinrichtung 10 eine zutreffende Kurvenform aufgefunden, so wird dem Schutzmodul 11 ein zugehöriger Korrekturfaktor K zugeführt, der dann entsprechend einer vorgegebenen Strom-/Zeitkennlinie ein Steuersignal an die Antriebsvorrichtung 3 abgibt.

Die einzelnen Verfahrensschritte gehen näher aus der folgenden Beschreibung anhand der Fig. 2 hervor. Um den Vergleich mit der Fig. 1 zu erleichtern, werden die gleichen Bezugszeichen benutzt. Die periodische Verarbeitung von Messgrößen beginnt in der Fig. 2 mit der Auswertung eines Stromsignals aus dem Stromwandler 7 in dem Schaltungsteil 8. Das Ergebnis ist eine Kurvenform f(I), die in einer anschließenden Normierstufe 12 hinsichtlich Amplitude und Periodendauer auf Standardwerte zurückgesetzt wird, um den nachfolgenden Vergleich in der Vergleichereinrichtung 10 durchzuführen. Es schließt sich eine Unterroutine an, die das in der Normierstufe 12 bereitgestellte Kurvensignal f_N(I) mit in der Speichereinrichtung 9 abgelegten Muster-Kurvenformen F(I) nacheinander vergleicht. Bei jeder dieser Muster- Kurvenformen befindet sich ein zugehöriger Korrekturfaktor K. Wurde in der Vergleichereinrichtung 10 Übereinstimmung zwischen der vorliegenden Kurvenform f_N(I) und F(I) festgestellt, so wird der zugehörige Korrekturwert K an den Schutzmodul 11 übergeben, der nach Maßgabe seiner Strom- /Zeitkennlinie ein Steuersignal an die Antriebsvorrichtung 3 abgibt.

Die beschriebenen Vorgänge laufen periodisch in der Weise ab, dass in einer mit 13 bezeichneten Hauptschleife die Kurvenform des mittels des Stromwandlers 7 überwachten Stromes ermittelt und in einer überlagerten Unterroutine die gespeicherten Muster-Kurvenformen mit der ermittelten Kurvenform verglichen werden. Der Schutzmodul 11 verarbeitet im Takt der Hauptschleife einen Mittel- bzw. Effektivwert des Stromes und einen jeweils ermittelten Korrekturfaktor K, um bei Bedarf ein Steuersignal zur Auslösung des Leistungsschalters 1 bereitzustellen.

In der Unterroutine 15 ist ein Prüfblock 13 vorgesehen, der eine endlose Fortsetzung unterbindet, wenn keine der gespeicherten Kurvenformen mit der erfassten aktuellen Kurvenform übereinstimmt. Dies geschieht durch die Frage, ob auch die letzte gespeicherte Kurvenform abweicht. Ist dies der Fall so wird ein Fehlerblock 16 aktiviert, die für ein sicheres Verhalten der Überstromauslösevorrichtung sorgt. Beispiele hierfür werden nachstehend anhand der Fig. 3, 4 und 5 erläutert.

Bei der Ausgestaltung des Fehlerblockes 16 gemäß der Fig. 3 wird der erfolglos durchgeführte Vergleich der Kurvenformen des Stromes in einem Meldeblock 17 zur Anzeige gebracht, z. B. mittels einer blinkenden Leuchtdiode. Ferner wird die Antriebsvorrichtung 3 des Leistungsschalters 1 (Fig. 1) betätigt, um die Schaltkontakte 2 zu trennen (Auslösung des Leistungsschalters 1). Es ist dann erforderlich, insbesondere die in der betreffenden Anlage auftretenden Kurvenformen des Stromes zu untersuchen, um die Ursache des erfolglosen Vergleiches zu ermitteln und bei Bedarf andere oder weitere Kurvenformen in der Speichereinrichtung 9 zu hinterlegen.

Dies kann durch Austausch eines in der Speichereinrichtung 9 enthaltenen Festwertspeichers erfolgen oder bei Verwendung eines beschreibbaren Speichers durch dessen Aktualisierung. Hierzu kann sich der Benutzer ggfs. einer zur Parametrierung der Überstromauslösevorrichtung vorgesehenen Schnittstelle bedienen.

Die Fehlerroutine gemäß der Fig. 4 ermöglicht demgegenüber bei überschaubaren Abweichungen einen stabilen Betrieb der Überstromauslösevorrichtung durch einen erneuten Vergleich der gespeicherten Kurvenformen F_n(I) mit einer Toleranz X, die in einem Toleranzblock 18 bereitgestellt wird. Wie gezeigt, wird das Toleranzmaß X der Vergleichereinrichtung 10 zugleich mit der Rücksetzung des Schleifenzählers n auf 1 im Rückstellblock 19 zugeführt. Vorsorglich erfolgt auch hier eine Anzeige bzw. Meldung im Meldeblock 17.

Die Fehlerroutine gemäß der Fig. 4 kann auch so ausgestaltet sein, dass im Toleranzblock 18 mehrere Toleranzwerte X bereitgehalten werden, z. B. 3%, 6% und 10%, und dass der Meldeblock 17 erst dann aktiviert wird, wenn der Vergleich der Kurvenformen auch mit dem größten der vorgegebenen Toleranzwerte X erfolglos war. In diesem Fall empfiehlt es sich, entsprechend der Fig. 1 eine zwangsläufige Auslösung des Leistungsschalters 1 (Fig. 1) zu veranlassen.

In der Ausführung der Fehlerroutine nach der Fig. 5 wird der Aufwand für eine evtl. erforderliche Aktualisierung der gespeichertem Kurvenformen des Stromes dadurch gering gehalten, dass der Benutzer der Überstromauslösevorrichtung 6 die Aktualisierung selbst vornehmen kann. Hierzu wird im Anschluss an einen erfolglosen Vergleich der Kurvenformen mit der aktuellen erfassten Kurvenform diese zur Speicherung in der Speichereinrichtung 9 bereitgestellt und auf Anforderung des Benutzers (Abfrageblock 20) zu den bereits vorhandenen Kurvenformen hinzugefügt. Zusätzlich kann eine Sicherheitsabfrage erfolgen, ob mit der neuen Kurvenform ein Korrekturfaktor entsprechend einer ähnlichen gespeicherten Kurvenform oder ein benutzdefinierter Korrekturfaktor verknüpft werden soll.

Bezugszeichenliste

1

Niederspannungs-Leistungsschalter

2

Schaltkontaktsystem

3

Antriebsvorrichtung

4

Obere Anschlussschiene

5

Untere Anschlussschiene

6

Überstromauslösevorrichtung

7

Stromwandler oder Stromsensor

8

Schaltungsteil zur Erfassung der Kurvenform

9

Speichereinrichtung

10

Vergleichereinrichtung

11

Schutzmodul

12

Normierstufe

13

Prüfblock

14

Hauptschleife

15

Unterroutine

16

Fehlerblock

17

Meldeblock

18

Toleranzblock

19

Rückstellblock

20

Abfrageblock

Claims

1. Überstromauslösevorrichtung mit einem Schaltungsteil (8) zur Erfassung der Kurvenform eines zu überwachenden Stromes (I) und mit einem Schutzmodul (11) zur Abgabe eines Steuersignals an einen Leistungsschalter (1) zur Öffnung von Schaltkontakten (2) des Leistungsschalters (1) in Abhängigkeit von einer Strom-/Zeitkennlinie für eine jeweils erfasste Kurvenform (f(I())des zu überwachenden Stromes (I), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- der Überstromauslösevorrichtung (6) ist ein elektronischer Speicher (9) mit Speicherplätzen für unterschiedliche mögliche Kurvenformen (F(I)) des zu überwachenden Stromes (I) sowie für den einzelnen Kurvenformen (F(I)) zugewiesene Korrekturfaktoren (K) der Strom-/Zeitkennlinie zugeordnet,
- es ist eine Vergleichereinrichtung (10) zum Vergleich mittels des genannten Schaltungsteiles (8) erfasster Kurvenformen (f(I))des zu überwachenden Stromes (I) mit den im elektronischen Speicher (9) gespeicherten Kurvenformen (F(I)) und zur Ausgabe eines Korrekturfaktors (K) an den Schutzmodul vorgesehen.

2. Verfahren für den Betrieb einer Überstromauslösevorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- durch Abtastung des zu überwachenden Stromes wird periodisch ein Mittel- bzw. Effektivwert des Stromes (I) sowie die Kurvenform (f(I))des Stromes bestimmt,
- die bestimmte Kurvenform (f(I)) wird nach Periodendauer und Amplitude auf vorgegebene Standardwerte normiert,
- die normierte Kurvenform (f_N(I))wird nacheinander mit gleichfalls in normiertem Format in den Speicherplätzen abgelegten Kurvenformen (F(I)) verglichen,
- bei Übereinstimmung der erfassten und normierten Kurvenform (f_N(I)) mit einer der gespeicherten Kurvenformen (F(I)) wird der zugehörige Korrekturfaktor (K) ausgelesen und an den Schutzmodul (11) übergeben,
- der Schutzmodul (11) vergleicht die Strom-/Zeitkennlinie mit einer Rechengröße entsprechend dem erfassten Mittel- bzw. Effektivwert des Stromes (I) und dem Korrekturfaktor (K) und gibt ein der Strom-/Zeitkennlinie entsprechendes Steuersignal zur Auslösung des Leistungsschalters (1) ab.

3. Verfahren nach Anspruch 2, d. gek. dass der Vergleichereinrichtung (10) eine Prüfstufe (13) zugeordnet ist, die nach erfolglosem Vergleich aller gespeicherten Kurvenformen (F(I)) mit der erfassten aktuellen Kurvenform (f(I)) eine Fehlerroutine aktiviert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, d. gek., dass die Fehlerroutine eine optische und/oder akustische Anzeige sowie die Öffnung der Schaltkontakte (2) des Leistungsschalters (1) umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 3, d. gek., dass die Fehlerroutine die Erzeugung eines Steuersignals zum erneuten Start der Vergleichereinrichtung (10) und zur Durchführung des Vergleiches der gespeicherten Kurvenformen ((F(I)) mit der erfassten aktuellen Kurvenform (f(I)) mit einer vorgegebenen Toleranz (X) umfasst.

6. Verfahren nach Anspruch 5, d. gek., dass in der Vergleichereinrichtung (10) mehrere Werte vorgegebener Toleranzen (X) berücksichtigt werden und dass nach erfolglosem Vergleich der gespeicherten Kurvenformen (F(I)) mit der erfassten aktuellen Kurvenform (f(I)) auch bei Anwendung der größten vorgegebenen Toleranz (X) eine optische und/oder akustische Anzeige sowie die Öffnung der Schaltkontakte (2) des Leistungsschalters (1) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, d. gek. dass bei erfolglosem Vergleich der gespeicherten Kurvenformen (F(I)) mit der aktuellen erfassten Kurvenform (f(I)) diese zur Speicherung in der Speichereinrichtung (9) bereitgestellt wird und auf Anforderung des Benutzers zu den bereits vorhandenen Kurvenformen hinzugefügt wird.