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Die Erfindung betrifft eine Schaltanlage und ein Verfahren zum Erkennen und Begrenzen der Energie eines Störlichtbogens in einem Einschub eines Schaltschranks einer entsprechenden Schaltanlage gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.
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Schaltanlagen, die an elektrische Energieversorgungen angeschlossen werden, sind bekannt. Weiter ist es bekannt, die Energieverteilung in einem Schaltschrank vorzunehmen, der einen Einschub oder mehrere Einschübe aufweist.
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In jedem Einschub befindet sich meist ein Schutzorgan z.B. in Form einer Sicherung oder eines Schutzschalters, über das zumindest ein zugehöriger Anlagenzweig mit der Energieversorgung verbunden ist. Jedes dieser Schutzorgane gehört in der Regel zu einer Schutzkette, die aus mehreren Schutzorganen gebildet ist, welche zueinander vor- und nachgeordnet sind. Über die Schutzorgane erfolgt die Aufteilung der elektrischen Energie auf einzelne Anlagenzweige. Die Schutzorgane unterbrechen die Energieversorgung insbesondere beim Auftreten eines Kurzschlusses selektiv, d. h. es unterbricht jeweils das Schutzorgan der Schutzkette, welches dem Kurzschluss am nächsten liegt.
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Handelt es sich bei dem Schutzorgan um einen Schutzschalter, so weist dieser mechanische Kontakte auf, die bei geschlossenem Schalter aneinander anliegen und die beim Öffnen zum Unterbrechen der Energieversorgung voneinander getrennt werden, wobei sich zwischen den Kontakten ein Schaltlichtbogen ausbildet, der den Energiefluss unmittelbar begrenzt und schließlich unterbricht.
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Neben Schaltlichtbögen können Störlichtbögen in den Einschüben auftreten, unter anderem durch Isolationsfehler, Gerätedefekte oder Fehlbedienungen, wobei elektrische Energie über einen sich bildenden Lichtbogen abfließt. Als Folge kann es zu erheblichen Anlagen- und Personenschäden kommen.
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Das Erkennen eines Störlichtbogens ist insbesondere in einem Einschub ein Problem, wenn sich als Schutzorgan ein Schutzschalter im Einschub befindet, da sowohl Schaltlichtbögen als auch ein Störlichtbögen Licht abstrahlen und man die Lichtbögen allein anhand ihrer Lichtabstrahlung nur schwer voneinander unterscheiden kann.
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Weiter ist es aufgrund der Topologie schwierig, Messsignale, zu denen auch im Einschub erfasste Stromsignale gehören, einer zentralen Auswertung störungs- und fehlerfrei zuzuführen. Die durch den Einschub bedingten Schwierigkeiten hängen mit der Einschiebbarkeit (Bewegbarkeit) und damit mit den Trennkontaktsystemen zusammen, deren Aufgabe es ist, eine Trennung der Kontakte des Haupt- und Steuerstromkreises im laufenden Betrieb zur schnellen Austauschbarkeit zu realisieren.
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Die
US 2014/0 054 270 A1 zeigt bereits eine Schaltanlage mit mehreren Feldern. Dabei befindet sich in einem Feld ein vorgeordneter Schutzschalter, der als Kurzschließer ausgebildet ist, während in mehreren anderen Feldern jeweils ein nachgeordneter Schutzschalter vorhanden ist. In den Feldern mit den nachgeordneten Schutzschaltern sind Messpunkte und die zugeordneten Sensoriken angeordnet, mit denen Auswerte- und Auslöseelektroniken verbunden sind. Bei Erkennung eines Störlichtbogens löst die jeweilige Elektronik den vorgeordneten Schutzschalter aus.
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Weiter zeigt die
US 2010/0 073 830 A1 eine Schaltanlage für eine dreiphasige Stromversorgung, welche eine Auswerte- und Auslöseelektronik und vor- und nachgeordnete Schutzschalter aufweist. Die Erkennung eines Störlichtbogens erfolgt durch Messung von Energieflusswerten in Form von elektrischen Strömen an mehreren Messpunkten außerhalb der Schaltanlage und von Lichtwerten innerhalb der Schaltanlage. Bei Erkennung eines Störlichtbogens öffnet die Auswerte- und Auslöseelektronik einen oder mehrere der vorgeordneten Schutzschalter.
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Die
DE 42 35 329 A1 lehrt hinsichtlich einer Schaltanlage, dass es sich bei festen Verdrahtungen einerseits und Einschüben andererseits um äquivalente Techniken beim Aufbau von Feldern der Schaltanlage handelt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Schaltanlage mit einem Schaltschrank einen Störlichtbogen in dem Bereich zu erkennen, in dem ein Schutzschalter einer Schutzkette platziert ist, also insbesondere im Bereich des Einschubs, und dessen Energie zu begrenzen, ohne dabei die Selektivität der Schutzkette der Schaltanlage aufzuheben.
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Die Aufgabe wird bezogen auf die Schaltanlage durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezogen auf das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
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Die Lösung sieht bezogen auf die Schaltanlage vor, dass im Einschub selbst und/oder im unmittelbar angrenzenden Bereich des Einschubs (zum Einschub gehörende) Messpunkte vorhanden sind, denen jeweils eine Messwert-Sensorik zugeordnet ist, die erste und zweite Messwerte ermitteln, wobei die ersten Messwerte Temperaturwerte und/oder Lichtwerte und die zweiten Messwerte Energieflusswerte (Stromwerte) sind, dass eine im Bereich des Einschubs angeordnete Auswerte- und Auslöse-Elektronik die Messwerte zum Erkennen eines Störlichtbogens im Einschub verarbeitet und bei Vorliegen eines Störlichtbogens anhand der Orte, an denen sich die Messpunkte (insbesondere der zweiten Messwerte) befinden, ermittelt, ob sich der Störlichtbogen vor oder hinter dem nachgeordneten Schutzschalter befindet. Die Auswerte- und Auslöse-Elektronik öffnet bei Auftreten eines Störlichtbogens zu dessen Begrenzung (d.h. zur Begrenzung des Energieflusses über den Störlichtbogen), wenn sich dieser in Energieflussrichtung gesehen hinter dem nachgeordneten Schutzschalter befindet, jeweils den im Einschub befindlichen nachgeordneten Schutzschalter, um den Energiefluss (über den Störlichtbogen) zu begrenzen.
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Um einen Störlichtbogen in einem Einschub eines Schaltschranks zu erkennen, wird vorgeschlagen, dass die Auswerte- und Auslöse-Elektronik a) die ersten Messwerte jeweils mit einer zugeordneten ersten Messwert-Schwelle vergleicht und einen ersten Zeitpunkt bei Überschreitung der ersten Messwert-Schwelle erfasst, b) zweite Messwerte jeweils mit einer zugeordneten zweiten Messwert-Schwelle vergleicht und einen zweiten Zeitpunkt bei Überschreitung der zweiten Messwert-Schwelle erfasst, und c) aus der Differenz der beiden Zeitpunkte jeweils einen zeitlichen Abstand ermittelt, wobei ein Störlichtbogen erkannt ist, wenn der Betrag des zeitlichen Abstands unterhalb eines vorgegebenen Zeitwerts liegt.
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Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren vor, dass an (zum Einschub gehörigen) Messpunkten, die an verschiedenen Orten im Einschub selbst und/oder im (unmittelbar angrenzenden) Bereich des Einschubs angeordnet sind, erste und zweite Messwerte ermittelt werden, wobei die ersten Messwerte Temperaturwerte und/oder Lichtwerte und die zweiten Messwerte Energieflusswerte (Stromwerte) sind, dass anhand der Orte, an denen sich die Messpunkte befinden, ermittelt wird, ob sich der Störlichtbogen vor oder hinter dem nachgeordneten Schutzschalter befindet, und dass jeweils der nachgeordnete Schutzschalter geöffnet wird, wenn sich der Störlichtbogen in Energieflussrichtung gesehen hinter dem nachgeordneten Schutzschalter befindet. Bildet der nachgeordnete Schutzschalter mit einem vorgeordneten Schutzschalter eine Schutzkette, so bleibt die Selektivität der Schutzkette vollständig zu erhalten.
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Um einen Störlichtbogen in einem Einschub eines Schaltschranks zu erkennen, wird vorgeschlagen, dass die ersten Messwerte jeweils mit einer zugeordneten ersten Messwert-Schwelle verglichen werden und ein erster Zeitpunkt bei Überschreitung einer ersten Messwert-Schwelle erfasst wird, dass zweite Messwerte jeweils mit einer zugeordneten zweiten Messwert-Schwelle verglichen werden und ein zweiter Zeitpunkt bei Überschreitung einer zweiten Messwert-Schwelle erfasst wird, dass aus der Differenz der beiden Zeitpunkte jeweils ein zeitlicher Abstand ermittelt wird, wobei ein Störlichtbogen erkannt wird, wenn der Betrag des zeitlichen Abstands unterhalb eines vorgegebenen Zeitwerts liegt, und dass bei erkanntem Störlichtbogen der Energiefluss unterbrochen wird.
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Mit Vorteil ist der erste Messpunkt (der zweiten Messwerte) unmittelbar hinter dem nachgeordneten Schutzschalter angeordnet.
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Die Geschwindigkeit der Unterbrechung lässt sich erhöhen, wenn in Energieflussrichtung gesehen nach dem vorgeordneten Schutzschalter ein Kurzschließer angeordnet ist, mit dessen Hilfe die Energieversorgung (alle Phasen) hinter dem vorgeordnete Schutzschalter kurzgeschlossen und die Energiezuführung unterbrochen wird.
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Zweckmäßigerweise ist der Kurzschließer unmittelbar hinter dem vorgeordneten Schutzschalter angeordnet.
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Als Temperaturwerte können Temperaturen und/oder Temperaturgradienten (Temperaturänderungen) erfasst werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Schaltanlage mit einem Einschub in einem Schaltschrank,
- 2 eine Darstellung der Temperaturwerte und erste Energieflusswerte über der Zeit im Einschub gemäß 1 mit den zugehörigen Schwellen,
- 3 eine Darstellung der Temperaturwerte und zweite Energieflusswerte über der Zeit im Einschub gemäß 1 mit den zugehörigen Schwellen und
- 4 eine Darstellung der Lichtwerte und Energieflusswerte über der Zeit im Einschub gemäß 1 mit den zugehörigen Schwellen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltanlage 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 1 ist nur ein Anlagenzweig schematisch durch den Verbraucher RL dargestellt. Die Energieflussrichtung FR ist in 1 die Richtung, in die der Pfeil am Energieflusses I zeigt.
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Die Schaltanlage SA befindet sich hier in einem einzigen Schaltschrank SS; der Anschluss der Energieversorgung EV erfolgt über entsprechende Stromschienen, die sich in den Schaltschrank SS erstrecken.
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In den Schaltschrank SS ist ein Einschub ES eingeschoben, der im eingeschobenen Zustand (also während des Betriebs oder bei der Inbetriebnahme) mit im Schaltschrank SS angeordneten Anschlüssen ASZ, ASA zur Energiezuführung (Anschluss ASZ) und Energieabführung (Anschluss ASA) kontaktiert. Die Anschlüsse ASZ, ASA sind über Kabel K1, K2 (allgemein elektrische Leiter) und einen im Einschub ES angeordneten (ersten) Schutzschalter CBN als eine spezielle Ausführung eines Schutzorgans für den Verbraucher RL verbunden.
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Der Schutzschalter CBN weist zwei mechanisch trennbare Schaltkontakte auf, die bei geschlossenem Schutzschalter CBN aneinander anliegen. Zum Öffnen des Schutzschalters CBN werden dessen Schaltkontakte voneinander getrennt. Der Schutzschalter CBN ist hier ein Kompaktleistungsschalter, also ein sehr schnell öffnender Schalter, bei dem sich die Schaltkontakte innerhalb weniger Millisekunden zu trennen beginnen, wobei sie jeweils einen Schaltlichtbogen ziehen. Durch den Schaltlichtbogen wird der Energiefluss I sofort reduziert und beim Verlöschen des Schaltlichtbogens vollständig unterbrochen.
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Der (erste) Schutzschalter CBN bildet zusammen mit einem in Energieflussrichtung FR gesehen vorgeordneten (zweiten) Schutzschalter CBV eine Schutzkette zum Schutz der jeweils nachgeordneten 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.
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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 Kurzschluss öffnet nur der nachgeordnete Schutzschalter CBN, bei einem Kurzschluss zwischen den Schutzschaltern CBN, CBV nur der vorgeordnete Schutzschalter CBV.
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An verschiedenen Orten (Stellen) im Einschub sind Messpunkte MP1, MP2, MPT, MPL vorhanden, an denen mittels zugehörigen Messwert-Sensoriken MS1, MS2, MST, MSL jeweils Messwerte ermittelt werden. Insbesondere sind der Messpunkt MP1 unmittelbar hinter dem nachgeordneten Schutzschalter CBN und der Messpunkt MP2 unmittelbar hinter dem Anschluss ASZ angeordnet. Alle Messwert-Sensoriken MS1, MS2, MST, MSL sind innerhalb des Einschubs ES angeordnet; es ist aber auch möglich, dass für einen Messpunkt MP1, MP2, MPT, MPL im Einschub die zugehörige Messwert-Sensorik MS1, MS2, MST, MSL außerhalb des Einschubs (aber zumindest im Bereich des Einschubs) angeordnet ist. Weiter kann es sich bei einem Messpunkt, insbesondere den Messpunkten MPT, MPL, auch um einen räumlichen Bereich innerhalb des Einschubs ES handeln.
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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 Temperaturwerten TW kann es sich um Werte für die Temperatur am Messpunkt MPT als auch um Werte für den Temperaturgradienten (Temperaturänderungen) am Messpunkt MPT handeln.
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Die Messwert-Sensoriken MS1, MS2, MST, MSL sind zur Auswertung der Messwerte (Energieflusswerte EW1 und EW2, Temperaturwerte TW, Lichtwerte LW) mit einer Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE verbunden, wobei die Verbindung in 1 durch die gestrichelten Linien dargestellt ist.
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Durch die Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE sind der nachgeordnete Schutzschalter CBN und ein Kurzschließer KS auslösbar (in 1 durch Strich-Punkt-Linien dargestellt), wobei der Kurzschließer KS in Energieflussrichtung FR gesehen unmittelbar hinter dem vorgeordneten Schutzschalter CBV geschaltet ist.
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Grundsätzlich kann auch der vorgeordneten Schutzschalter CBV von der Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE ausgelöst werden, insbesondere wenn kein Kurzschließer KS vorhanden ist.
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Der Kurzschließer KS wird hier in diesem Beispiel eingesetzt, um den Energiefluss I durch den Einschub ES sehr schnell zu unterbrechen, jedenfalls ist der Kurzschließer KS hier sehr viel schneller als der vorgeordnete Schutzschalter CBV. Damit der Schutzschalter CBV so schnell wie möglich auf den ausgelösten (kurzschließenden) Kurzschließer KS reagiert, werden jeweils beide zusammen (zeitgleich) von der Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE ausgelöst.
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Um einen Störlichtbogen im Unterschied zu einem Schaltlichtbogen zu erkennen, die allein optisch anhand ihrer Lichtabstrahlung kaum zu unterscheiden sind, wird grundsätzlich folgendes Verfahren durchgeführt: Am Messpunkt MPT werden von der Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE fortlaufend als erste Messwerte Temperaturwerte TW und am Messpunkt MP1 als zweite Messwerte fortlaufend Energieflusswerte (Stromwerte) IW1 ermittelt. Die Temperaturwerte TW werden von der Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE jeweils mit einer Temperatur-Schwelle TS und die Energieflusswerte IW1 jeweils mit einer Energiefluss-Schwelle IS1 verglichen. Wird die Temperatur-Schwelle TS überschritten, wird ein erster Zeitpunkt t1 erfasst und wird die Energiefluss-Schwelle IS1 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 IS1 überschritten ist, und wenn ja, wird die Differenz der beiden Zeitpunkte t1, t2 gebildet und so jeweils der zeitliche Abstand t1t2 der Überschreitung der Messwert-Schwellen TS, IS1 ermittelt. Anschließend wird dessen Betrag Bt1t2 gebildet. Ist dieser Betrag Bt1t2 kleiner als ein vorgegebener Zeitwert ZW, liegt ein Störlichtbogen vor, und zwar in Energieflussrichtung FR gesehen hinter dem Messpunkt MP1 und damit unmittelbar hinter dem nachgeordneten Schutzschalter CBN. Die Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE löst dann wegen des Störlichtbogens den Schutzschalter CBN im Einschub ES aus.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Temperaturwerte TW und der Energieflusswerte IW1 mit den zugehörigen Schwellen TS, IS1 über der Zeit, in welche auch die beiden Zeitpunkte t1, t2 und deren zeitlicher Abstand t1t2 eingetragen sind. Der Einfachheit halber sind die Temperaturwerte TW und die Energieflusswerte IW1 normiert aufgetragen.
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Der nach Auslösung entstehende Schaltlichtbogen des Schutzschalters CBN begrenzt die Energie des Störlichtbogens bereits innerhalb weniger Millisekunden. Der ohnehin vorhandene Schutzschalter CBN wird hier also zur Begrenzung und Löschung des Störlichtbogens verwendet, und zwar selektiv, ohne davorliegende Anlagenzweige (in 1 nicht weiter gezeigt) abzuschalten.
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Um im Einschub ES auch den Bereich hinter dem Anschluss ASZ und vor dem Schutzschalter CBN und zu erfassen, wird das gleiche Verfahren wie oben durchgeführt, allerdings werden anstelle der Energieflusswerte IW1 Energieflusswerte IW2 verwendet, die als weitere zweite Messwerte am Messpunkt MP2 fortlaufend ermittelt werden.
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Das Verfahren wird mit den Energieflusswerten IW2 analog zu den Energieflusswerten IW1 durchgeführt: Bei Überschreitung der Temperatur-Schwelle TS wird wieder der erster Zeitpunkt t1 erfasst und bei Überschreitung der Energiefluss-Schwelle IS2 durch die Energieflusswerte IW2 wird ein zweiter Zeitpunkt t3 erfasst. Die Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE ermittelt dann die Differenz der beiden Zeitpunkte t1, t3, den zeitlichen Abstand t1t3 der Überschreitung der Messwert-Schwellen TS, IS2 und daraus den Betrag Bt1t3 des zeitlichen Abstands. Ist dieser Betrag Bt1t3 kleiner als der vorgegebene Zeitwert ZW, liegt ein Störlichtbogen vor, und zwar in Energieflussrichtung FR gesehen hinter dem Messpunkt MP2 und damit hinter dem Anschluss ASZ. Die Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE löst dann den Kurzschließer KS aus, wenn hinter dem Schutzschalter CBN kein Störlichtbogen vorliegt.
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In 3 sind die Temperaturwerte TW und die Energieflusswerte IW2 mit den zugehörigen Schwellen TS, IS2 über der Zeit und die beiden Zeitpunkte t1, t3 und deren zeitlicher Abstand t1t3 dargestellt.
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Alternativ können anstelle der Temperaturwerte TW auch die am Messpunkt MPL erfassten Lichtwerte LW verwendet werden. Die Lichtwerte LW werden entsprechend mit einer Lichtwert-Schwelle LS verglichen, bei deren Überschreitung der erste Zeitpunkt t1 erfasst wird. Wieder wird der zeitliche Abstand t1t2 (t1t3) der Überschreitung der Messwert-Schwellen LS, IS1 (IS2) ermittelt, und daraus dessen Betrag Bt1t2 (Bt1t3) gebildet. Ist der Betrag Bt1t2 (Bt1t3) kleiner als ein vorgegebener Zeitwert ZW, liegt ein Störlichtbogen vor. Die Angaben in den Klammern beziehen sich jeweils auf die Energieflusswerte IW2.
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4 zeigt eine Darstellung der Lichtwerte LW und der Energieflusswerte IW1 mit den zugehörigen Schwellen LS, IS1 über der Zeit, in welche auch die beiden Zeitpunkte t1, t2 und deren zeitlicher Abstand t1t2 eingetragen sind.
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Es ist auch möglich, sowohl die Temperaturwerte TW am Messpunkt MPT als auch die Lichtwerte LW am Messpunkt MPL zu erfassen und entsprechend die Temperaturwerte TW mit der Temperatur-Schwelle TS und die Lichtwerte LW mit der Lichtwert-Schwelle LS zu vergleichen. Bei Überschreitung von einer der beiden Schwellen TS, LS wird dann der erste Zeitpunkt t1 erfasst. Sind beide Schwellen TS, LS überschritten, ist der erste Zeitpunkt t1 der Zeitpunkt, zu dem eine der beiden Schwellen TS, LS zuerst überschritten ist. Wieder wird der zeitliche Abstand t1t2 (t1t3) der Überschreitung der Messwert-Schwellen TS oder LS und IS1 (IS2) ermittelt, und daraus dessen Betrag Bt1t2 (Bt1t3) gebildet. Ist der Betrag Bt1t2 (Bt1t3) kleiner als der vorgegebene Zeitwert ZW, liegt ein Störlichtbogen vor. Die Angaben in den Klammern beziehen sich auch hier jeweils auf die Energieflusswerte IW2.
