DE102017208851B4

DE102017208851B4 - Störlichtbogenerkennungseinheit

Info

Publication number: DE102017208851B4
Application number: DE102017208851.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Betzner; Reinhold Keck; Aime Mbuy; Jürgen Zettner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2037-05-25
Also published as: DE102017208851A1

Abstract

Störlichtbogenerkennungseinheit (SLEE) für einen elektrischen Stromkreis, aufweisend:- eine Induktivität (L),- eine Photodiode (PD),die beide mit einer Steuereinheit (SE) verbunden sind und die derart ausgestaltet ist, dassdie in der Induktivität (L) und der Photodiode (PD) erzeugte Spannung dahingehend überwacht wird, dass bei Überschreitung:- eines ersten Grenzwertes der Spannung der Induktivität zu einem ersten Zeitpunkt oder eines ersten Anstiegs-Grenzwertes des zeitlichen Anstieges der Spannung der Induktivität zum ersten Zeitpunktund bei Überschreitung- eines zweiten Grenzwertes der Spannung der Photodiode zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt oder eines zweiten Anstiegs-Grenzwertes der Spannung der Photodiode zum nachfolgenden zweiten Zeitpunktein Störlichtbogenerkennungssignal (SLES) abgegeben wird, wobei,- die Induktivität (L) und die Photodiode (PD) elektrisch parallel oder in Serie geschaltet sind und die Summenspannung hinsichtlich der Überschreitung des ersten Grenzwertes oder ersten Anstiegs-Grenzwertes sowie zweiten Grenzwertes oder zweiten Anstiegs-Grenzwertes überwacht wird, und/oder- nur dann ein Störlichtbogenerkennungssignal (SLES) abgegeben wird, wenn zwischen ersten und zweiten Zeitpunkt die Spannung der Induktivität (L) bzw. Summenspannung einen dritten Grenzwert unterschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Störlichtbogenerkennungseinheit, einen Störlichtbogensensor und ein Verfahren zur Störlichtbogenerkennung, jeweils für einen elektrischen Stromkreis.
Mit elektrischem Stromkreis sind insbesondere Mittelspannungs- oder/und Niederspannungsstromkreise gemeint.
Mit elektrischem Niederspannungsstromkreis sind insbesondere Stromkreise gemeint, die Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung aufweisen; wobei diese Spannungen insbesondere üblicherweise größer als die Kleinspannung, mit Werten von 25 Volt oder 50 Volt Wechselspannung sowie 60 Volt oder 120 Volt Gleichspannung sind.
Mit Stromkreis sind insbesondere Stromkreise mit Abschaltströmen von 63 Ampere bis 6300 Ampere, spezieller von 63 oder 125 Ampere bis 630 Ampere oder 1600 Ampere, sowie von 630 Ampere oder 1200 Ampere bis 6300 Ampere gemeint.
Mit Abschaltströmen ist der Strom gemeint, bei der der elektrische Stromkreis üblicherweise unterbrochen wird, beispielsweise durch eine Schutzeinrichtung, wie einen Leistungsschalter.
Mit Leistungsschalter sind insbesondere Kompaktleistungsschalter respektive Moulded Case Circuit Breaker, kurz MCCB, oder offene Leistungsschalter respektive Air Circuit Breaker, kurz ACB, gemeint.
Leistungsschalter sind Schutzgeräte, die ähnlich wie eine Sicherung funktionieren. Leistungsschalter überwachen den durch sie mittels eines Leiters hindurchfließenden Strom und unterbrechen den elektrischen Strom bzw. Energiefluss zu einer Energiesenke bzw. einem Verbraucher, was als Auslösung bezeichnet wird, wenn Schutzparameter, wie Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte, d.h. wenn ein Stromwert für eine gewisse Zeitspanne vorliegt, überschritten werden. Die Unterbrechung erfolgt beispielsweise durch Kontakte des Leistungsschalters, die geöffnet werden.
Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Leistungsschalter mit einer Steuereinheit, wie einer elektronischen Auslöseeinheit, auch als Electronic Trip Unit, kurz ETU, bezeichnet, gemeint. Die Steuereinheit überwacht die Höhe des durch Sensoren, wie Rogowskispulen, gemessenen elektrischen Stromes bzw. zusätzlich in analoger Weise der Spannung oder/und anderer Parameter des elektrischen Stromkreises und bewirkt eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreis.
Ein Problem sind so genannte Störlichtbögen in einem elektrischen Stromkreis, wie einer elektrischen Anlage. Mit Störlichtbögen sind Lichtbögen gemeint, wie sie bei elektrischen Fehlern im Stromkreis bzw. in der Anlage auftreten. Beispielsweise können diese durch Kurzschlüsse bzw. schlechte Verbindungen hervorgerufen werden.
Schaltlichtbögen, wie sie beim elektrischen Schalten, insbesondere an den Kontakten, auftreten, sind nicht gemeint.
Für den Betrieb einer elektrischen Anlage ist es sehr vorteilhaft, derartige Störlichtbögen (schnell) zu erkennen und gegebenenfalls den elektrischen Stromkreis zu unterbrechen, um weitere Schäden abzuwenden.
Diese auf Fehler bzw. Störungen basierenden Störlichtbögen entstehen durch Ionisierung eines Gases (in der Regel Luft) mittels einer elektrischen Entladung zwischen Elektroden unterschiedlichen Potenzials oder Phasenlage, bzw. zwischen einer Elektrode und Erde bzw. Erdpotential.
Fließt ein Strom in einem „fast unterbrochenen“ Phasenleiter entsteht an der Unterbrechungsstelle ein so genannter serieller Störlichtbogen.
Wenn ein (Fast-)Kurzschluss mit einem anderen Phasenleiter auftritt, wird von einem parallelen Störlichtbogen gesprochen.
Parallele Störlichtbögen können z.B. durch Alterung des Isolationsmaterials oder Präsenz von leitender Verschmutzung zwischen Phasenleitern verursacht werden. Sie können zwischen zwei verschiedenen Phasenleitern, zwischen Phasenleiter (L) und Erdungsleiter (PE), oder zwischen Phasenleiter und Neutralleiter (N) auftreten.
Falls ein Lichtbogen die Eigenschaften eines parallelen und eines seriellen Störlichtbogens darstellt, bezeichnet man dies als kombinierten Störlichtbogen. Wenn von Phasen-, Erdungs- bzw. Neutralleiter gesprochen wird, bezieht sich das nicht nur auf die Leiter, sondern auch auf alle Anlagenteile mit gleichem Potential wie die Phasen-, Erdungs- bzw. Neutralleiter.
Störlichtbögen stellen eine fehlerhafte Verbindung zwischen den Anlageteilen (Leitern) unterschiedlichen Potentials her.
Ein Störlichtbogen gibt eine große Energie an die Umgebung ab, insbesondere Wärme und Strahlung mit einer sehr hohen Intensität. Zusätzlich entstehen makroskopische und physikalische Wirkungen wie dielektrische Verluste, Druckwelle, chemische Reaktion und Hochfrequenzwelle.
Deshalb gehen sehr große Zerstörungswirkungen und Personengefährdungen von ihm aus (u.a. Brandgefahr).
Frühzeitiges Erkennen eines Störlichtbogen und wenn möglich vor einer Zerstörungsphase zu löschen ist eine Herausforderung für das Condition Monitoring und das Schutzsystem der elektrischen Anlagen.
Einzelne Lösungen zur Erkennung von Störlichtbogen wurden bereits vorgeschlagen, allerdings besteht noch immer das Problem einer sicheren Erkennung von Störlichtbögen. D.h. die Detektionssicherheit (Wahrscheinlichkeit, dass es sich tatsächlich um einen Lichtbogen handelt) von Störlichtbögen, die Vermeidung von Fehlauslösungen und eine Verbesserung der Detektionszeit sind noch immer ein Problem.
Die Erkennung eines Lichtbogens ohne Notwendigkeit einer Hilfsspannung wird in der US 2013 / 0 194 707 A1 durch einen optischen Sensor ermöglicht.
Die DE 10 2015 100 445 A1 betrifft ein Verfahren zur Kategorisierung eines Lichtbogens, bei dem ein Strom in einer Zuleitung sowie ein in einem Überwachungsbereich emittiertes Licht erfasst wird. Der Lichtbogen wird als Störlichtbogen kategorisiert, wenn eine Differenzzeit zwischen dem Erkennen eines von einem Lichtbogen verursachten Stroms und eines von dem Lichtbogen verursachten Lichtblitzes unterhalb eines vorgebbaren ersten Schwellwerts liegt.
Auch die EP 2 577 697 B1 offenbart zum Erkennen eines Lichtbogens sowohl eine Nutzung eines Stromsensors als auch von Lichtsensoren.
Um die zerstörenden Wirkungen von Störlichtbögen zu vermeiden, werden hauptsächlich geeignete Komponenten ausgewählt sowie auf eine saubere Installation und regelmäßige Prüfungen der gesamten Anlage geachtet. Insbesondere sind entsprechende Normen in den Bereichen von Schutztechnik und Sicherheit der elektrischen Anlagen verabschiedet worden. Diese Normen werden durch Gremien regelmäßig angepasst. Ferner sind entsprechende Prüfverfahren vorgeschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Erkennung von Störlichtbögen zu verbessern, insbesondere eine hohe Detektionssicherheit und schnelle Detektionszeit zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Störlichtbogenerkennungseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Störlichtbogensensor gemäß Patentanspruch 9 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine neuartige Kombination von optischer Erfassung und elektrischer Feldmessung vorgeschlagen, sowie die Auswertung der Signalverläufe. Hierzu wird eine Störlichtbogenerkennungseinheit für einen elektrischen Stromkreis vorgeschlagen, aufweisend:

- eine Induktivität,
- eine Photodiode,

a) eines ersten Grenzwertes der Spannung der Induktivität zu einem ersten Zeitpunkt oder eines ersten Anstiegs-Grenzwertes des zeitlichen Anstieges der Spannung der Induktivität zum ersten Zeitpunkt, und bei Überschreitung
b) eines zweiten Grenzwertes der Spannung der Photodiode zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt oder eines zweiten Anstiegs-Grenzwertes der Spannung der Photodiode zum nachfolgenden zweiten Zeitpunkt ein Störlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird.

Die Induktivität und die Photodiode erfassen erfindungsgemäß einerseits das elektrische Feld eines Störlichtbogens (Induktivität) und andererseits die, gegebenenfalls kurzzeitige, Lichtstrahlung des Störlichtbogens (Photodiode).
Nur wenn beide nacheinander auftreten und deren Werte bzw. deren Äquivalente, wie beispielsweise die erzeugte elektrische Spannung, gewisse Grenzwerte überschreiten, wird ein Störlichtbogenerkennungssignal abgegeben.
Der Vorteil liegt in einer genauen und sicheren Erkennung von Störlichtbögen, wobei Fehlauslösungen durch die Kombination mehrere Kriterien (zwei unterschiedliche physikalische Größen, zeitlich nacheinander, zwei Grenzwerte überschritten) vermieden werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Induktivität und die Photodiode elektrisch parallel oder in Serie geschaltet sind und die Summenspannung hinsichtlich der Überschreitung des ersten Grenzwertes oder ersten Anstiegs-Grenzwertes sowie zweiten Grenzwertes oder zweiten Anstiegs-Grenzwertes überwacht wird, und/oder

- nur dann ein Störlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird, wenn zwischen ersten und zweiten Zeitpunkt die Spannung der Induktivität bzw. Summenspannung einen dritten Grenzwert unterschreitet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Induktivität und die Photodiode elektrisch parallel geschaltet. Die Summenspannung der Induktivität und der Photodiode wird hinsichtlich der Überschreitung

a) des ersten Grenzwertes oder ersten Anstiegs-Grenzwertes und
b) des zweiten Grenzwertes oder zweiten Anstiegs-Grenzwertes überwacht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nur dann ein Störlichtbogenerkennungssignal abgegeben, wenn zwischen ersten und zweiten Zeitpunkt die Spannung der Induktivität bzw. Summenspannung einen dritten Grenzwert unterschreitet.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein weiteres Kriterium für die Erkennung von Störlichtbögen verwendet wird, eine höhere Detektionssicherheit erreicht und die Wahrscheinlichkeit von Fehlauslösungen vermindert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Induktivität oder/und der Photodiode ein Widerstand parallel geschaltet.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass der durch die Photodiode (Stromquelle) hervorgerufene Strom unmittelbar als Spannung (im Bereich einiger hundert Millivolt) gemessen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im elektrischen Stromkreis der elektrische Strom ermittelt und ein Störlichtbogenerkennungssignal nur dann abgegeben, wenn zudem der Strom oder die zeitliche Stromänderung einen vierten Grenzwert überschreitet.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein weiteres Kriterium für die Erkennung von Störlichtbögen verwendet wird, wodurch eine höhere Detektionssicherheit erreicht und die Wahrscheinlichkeit von Fehlauslösungen vermindert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste und zweite Zeitpunkt einen zeitlichen Abstand von weniger als 5, insbesondere weniger als 4, Mikrosekunden auf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Störlichtbogenerkennung genauer eingegrenzt wird, wodurch eine schnellere Erkennung erzielt, höhere Detektionssicherheit erreicht und die Wahrscheinlichkeit von Fehlauslösungen vermindert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Induktivität als Spule ausgestaltet ist. Insbesondere als Planarspule, Flachspule oder Luftspule, beispielsweise auch in einer leiterplattenintegrierten Form bzw. als SMD Bauelement.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Realisierung einer Induktivität gegeben ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Stromkreis ein Niederspannungsstromkreis.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass insbesondere für Niederspannungsstromkreise eine sicherere Möglichkeit zur Störlichtbogenerkennung gegeben ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Störlichtbogenerkennungssignal einem Leistungsschalter des elektrischen Stromkreises zugeführt.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine schnelle Abschaltung des elektrischen Stromkreises erfolgen kann. Weiterhin, dass ein Leistungsschalter um eine Funktionalität erweitert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Störlichtbogenerkennungssignal einem Kurzschließer des elektrischen Stromkreises zugeführt.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders schnelle Abschaltung des elektrischen Stromkreises erfolgen kann, d.h. eine Abschaltung, die in der Regel schneller als bei einem Leistungsschalter ist.
Primäres Ziel kann die unmittelbare Abschaltung eines entstehenden Lichtbogens sein. Ein Kurzschluss mit einem Kurzschließer kann in weniger als einer Mikrosekunde erfolgen. Dadurch wird von weiteren Schutzeinrichtungen der wesentlich unkritischere Kurzschluss erkannt und abgeschaltet.
Erfindungsgemäß können die Induktivität und die Photodiode als Einheit in einem separaten Gehäuse zusammengefasst sein. Die Steuereinheit ist räumlich getrennt angeordnet. Beide können über eine elektrische Leitung, wie eine Zweidraht- oder Koaxialleitung, miteinander verbunden sein. Die Steuereinheit kann an oder in einem Leistungsschalter angeordnet sein.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein erfindungsgemäßer Sensor gegeben ist, der in einer kleinen Bauform in der Nähe des elektrischen Stromkreises bzw. in der Anlage angeordnet sein kann, wobei selbst bei beengten Platzverhältnissen eine Störlichtbogenerkennung realisierbar ist.
Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Verfahren zur Erkennung eines Störlichtbogens in einem elektrischen Stromkreis gegeben, bei der

a) eine elektrische oder magnetische Feldkomponente erfasst wird, insbesondere in eine, beispielsweise proportionale, erste Spannung umgewandelt wird,
b) eine optische Komponente erfasst wird, insbesondere in eine, beispielsweise proportionale, zweite Spannung umgewandelt wird,

c) eines ersten Grenzwertes der ersten Spannung zu einem ersten Zeitpunkt oder eines ersten Anstiegs-Grenzwertes des zeitlichen Anstieges der ersten Spannung zum ersten Zeitpunkt und bei Überschreitung
d) eines zweiten Grenzwertes der zweiten Spannung zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt oder eines zweiten Anstiegs-Grenzwertes der zweiten Spannung zum nachfolgenden zweiten Zeitpunkt

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist eine Auswerteeinheit, wie ein Mikrocontroller, FPGA oder DSP, vorgesehen, die einen Klassifikator aufweist, d.h. ein Klassifikation ist darin implementiert bzw. realisiert, die in einem mehrdimensionalen Merkmalsraum die Überschreitung:

- des ersten Grenzwertes der ersten Spannung zu einem ersten Zeitpunkt oder des ersten Anstiegs-Grenzwertes des zeitlichen Anstieges der ersten Spannung zum ersten Zeitpunkt und bei Überschreitung
- eines zweiten Grenzwertes der zweiten Spannung zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt oder eines zweiten Anstiegs-Grenzwertes der zweiten Spannung zum nachfolgenden zweiten Zeitpunkt ermittelt,

Alternativ oder zusätzlich kann hinsichtlich

- dem Vorliegen eines Mindeststromwertes oder der Änderung eines Stromwertes, die einen Änderungsstromwert überschreitet, geprüft werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Induktivität und die Photodiode elektrisch parallel oder in Serie geschaltet sind und die Summenspannung hinsichtlich der Überschreitung des ersten Grenzwertes oder ersten Anstiegs-Grenzwertes sowie zweiten Grenzwertes oder zweiten Anstiegs-Grenzwertes überwacht wird, und/oder

Dieses Verfahren kann beispielsweise dadurch gekennzeichnet sein, dass die elektrische oder magnetische Feldkomponente in die erste Spannung umgewandelt wird,
die optische Komponente in die zweite Spannung umgewandelt wird,
die Spannungen und die Zeitabstände oder/und zeitliche Änderungen dahingehend überwacht werden, dass ein schneller Klassifikator implementiert/realisiert in einer kostengünstigen Auswerteeinheit (Mikrocontroller, FPGA; DSP) in einem mehrdimensionalen Merkmalsraum die Überschreitung:

- des ersten Grenzwertes der ersten Spannung zum ersten Zeitpunkt oder des ersten Anstiegs-Grenzwertes des zeitlichen Anstieges der ersten Spannung zum ersten Zeitpunkt und bei Überschreitung
- des zweiten Grenzwertes der zweiten Spannung zum nachfolgenden zweiten Zeitpunkt oder des zweiten Anstiegs-Grenzwertes der zweiten Spannung zum nachfolgenden zweiten Zeitpunkt

Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung der Erkennung von Störlichtbögen.
Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
Dabei zeigt die Zeichnung:

1a ein erstes Schaltbild,
1b ein zweites Schaltbild,
2 eine erstes Ausführungsbeispiel,
3 ein erstes Prinzipschaltbild einer Anlage,
4 ein erstes Diagramm,
5, 6, 7 erste, zweite und dritte Entscheidungsbäume.

1a zeigt im oberen Figurenteil eine Parallelschaltung einer Induktivität L, einer Photodiode PD und eines Widerstandes R. Diese Parallelschaltung kann die elektrische Spannung U zur Verfügung stellen.
Im unteren Teil der 1a ist lediglich die Parallelschaltung der Photodiode PD mit dem Widerstand R gezeichnet, an der die Spannung U zur Verfügung gestellt werden kann.
Diese Schaltung kann beispielsweise in der Störlichtbogenerkennungseinheit SLEE angeordnet sein, als auch in einem separaten Störlichtbogensensor SLS. Dabei kann der Sensor die Induktivität L und die Photodiode PD mindestens aufweisen. Der Sensor kann weiterhin mindestens einen Widerstand R aufweisen. Der Sensor SLS kann durch eine Sensorleitung SL, wie eine Zweidraht- oder Koaxialleitung, mit der Störlichtbogenerkennungseinheit SLEE oder/und einer Steuereinheit SE verbunden sein.
1b zeigt eine Alternative Ausführung gemäß 1a, mit dem Unterschied, dass die Induktivität L mit der Photodiode PD in Serie geschaltet ist. Parallel zur Serienschaltung ist der Widerstand R geschaltet, an dem die elektrische Spannung U abgreifbar ist. Diese Schaltung ist analog zu 1a funktionsfähig.
2 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel eines Störlichtbogensensors SLS. Hierbei sind eine Induktivität L, eine Photodiode PD und ein Widerstand R auf einer Leiterplatte LP angeordnet. Die Leiterplatte LP weist Anschlüsse für eine Sensorleitung SL auf, wie beispielsweise gemäß 2 eine (verdrillte) Zweidrahtleitung.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Anwendung der Erfindung in einem (Niederspannungs-)Stromkreis bzw. einer (Niederspannungs-)Anlage. Diese weist eine Energiequelle bzw. Energieeinspeisung NSE auf, wie beispielsweise eine Niederspannungseinspeisung. Der Energieeinspeisung NSE folgt ein erstes Schutzelement LSE, wie ein (Niederspannungs- )Leistungsschalter. An diesen sind ein oder mehrere elektrische Leitungen LT angeschlossen, über die elektrische Energie zu nicht gezeichneten Energiesenken bzw. Verbrauchern übertragen wird. Die Leitungen LT können dabei zur Energieübertragung von Einphasengleich- oder Wechselstrom als auch für Dreiphasenwechselstrom oder ähnlich ausgelegt sein.
Den Leitungen zu den Verbrauchern können weitere Schutzelemente LS1, LS2, LS3, wie Leistungsschaltern, zugeordnet sein, wobei ein Verbraucher bzw. eine Gruppe von Verbrauchern durch jeweils ein Schutzelement LS1, LS2 oder LS3 abgesichert ist.
Im Bereich der Leitungen LT kann jeweils eine Störlichtbogenerkennungseinheit SLEE angeordnet sein. Alternativ können auch ein oder mehrere Störlichtbogensensoren SLS1, SLS2, SLS3 angeordnet sein, zur Erfassung von eventuell auftretenden Störlichtbogen, wie im Beispiel in 3 gezeigt.
Die Störlichtbogensensoren SLS1, SLS2, SLS3 sind über erste, zweite und dritte Sensorleitungen SL1, SL2, SL3 mit der Störlichtbogenerkennungseinheit SLEE bzw. Steuereinheit SE verbunden. Dadurch können mehrere Leitungsabschnitte bzw. - bereiche durch eine (oder ggfs. mehrere) Störlichtbogenerkennungseinheit SLEE / Steuereinheit SE überwacht werden.
Wird ein Störlichtbogen in der Störlichtbogenerkennungseinheit SLEE bzw. Steuereinheit SE erkannt, kann ein Störlichtbogenerkennungssignal SLES zu einem Schutzelement übertragen werden, wodurch dieses in Folge den elektrischen Stromkreis bzw. Leitungsabschnitt unterbricht.
Im Beispiel kann ein erstes, zweites oder drittes Störlichtbogenerkennungssignal SLES1, SLES2, SLES3 über in 3 gestrichelt eingezeichnete Verbindungsleitungen zum ersten, zweiten bzw. dritten Schutzelement LS1, LS2, LS3 übertragen werden.
Die Störlichtbogenerkennungseinheit SLEE bzw. Steuereinheit SE können auch im Schutzelement, im Beispiel Leistungsschalter LS1, LS2 oder/und LS3, selbst integriert sein bzw. diesen zugeordnet sein.
4 zeigt ein erstes Diagramm des Verlaufs der Summenspannung der Induktivität L und der Photodiode PD über der Zeit. Auf der horizontalen X-Achse ist die Zeit t in µs / Mikrosekunden angegeben. Auf der vertikalen Y-Achse die Spannung U in mV / Millivolt.
Der Verlauf der Summenspannung der Induktivität L und der Photodiode PD zeigt einen ersten Spannungsausschlag A1, gefolgt von einem zweiten Spannungsanstieg A2.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der erste SpannungsAusschlag A1 durch eine Feldkomponente, wie das E- oder H-Feld, also je nach Art des Lichtbogens ein Impuls des elektrischen Feldes der zur Entladung führt oder der Impuls des mit dem beginnenden Stromfluss einhergehenden Magnetfeldes oder eine direkte Einkopplung einer elektromagnetischen Welle d.h. E und H - Feld, des Störlichtbogens, der durch die Induktivität L, im Beispiel durch eine Spule, erfasst wird, hervorgerufen wird. Die Einkopplung kann auch durch die Anschlussleitung der Photodiode erfasst werden, wobei die Höhe der Erfassung durch die Länge der Anschlussleitung der Photodiode bestimmt ist.
Der zweite Spannungsanstieg A2 wird durch die nachfolgende optische Komponente des Störlichtbogens, der durch die Photodiode PD erfasst wird, hervorgerufen.
Der zeitliche Abstand beider Ereignisse A1, A2 liegt typischerweise im einstelligen Mikrosekundenbereich.
Der genaue zeitliche Abstand beider Spannungsanstiege bzw. Ereignisse A1, A2 ist abhängig von verschiedenen Parametern des lichtbogenerzeugenden Systems und hängt dabei vor allem von der Beschaffenheit der Quelle ab. Konkret ist bei der Angabe des zeitlichen Abstands die elektrische Bewertung der Quelle maßgeblich (induktiv oder kapazitiv), sowie deren Potentialdifferenz zur Gegenelektrode des Lichtbogens. Somit kann der zeitliche Abstand als applikationsspezifisches Maß für die sichere Detektion als Parameter verwendet werden.
Die Störlichtbogenerkennungseinheit SLEE bzw. Steuereinheit SE ist derart ausgestaltet, dass hinsichtlich des Auftretens beider Ereignisse, sowie der zeitlichen Reihenfolge oder/und des zeitlichen Abstandes geprüft wird. Bei Vorliegen derartiger Ereignisse wird ein Störlichtbogenerkennungssignal SLES abgegeben.
Beispielsweise kann die Erkennung dahingehend erfolgen, dass hinsichtlich der Überschreitung eines ersten Grenzwertes U1 der Spannung der Induktivität zu einem ersten Zeitpunkt t1 und Überschreitung eines zweiten Grenzwertes U2 der Spannung der Photodiode zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t2 ein Störlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird. Alternativ kann auch bei Überschreitung eines ersten Anstiegs-Grenzwertes des zeitlichen Anstieges der Spannung der Induktivität zu einem ersten Zeitpunkt t1 und Überschreitung eines zweiten Anstiegs-Grenzwertes der Spannung der Photodiode zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t2 ein Störlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird.
Es kann auch hinsichtlich eines ersten Anstiegs-Grenzwertes des zeitlichen Anstieges der Spannung der Induktivität zum ersten Zeitpunkt t1 und Überschreitung eines zweiten Grenzwertes U2 der Spannung der Photodiode zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t2 geprüft werden.
Bzw. hinsichtlich der Überschreitung eines ersten Grenzwertes U1 der Spannung der Induktivität zu einem ersten Zeitpunkt t1 und Überschreitung eines zweiten Anstiegs-Grenzwertes der Spannung der Photodiode zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t2 geprüft werden.
Hierbei können der erste und zweite Grenzwert U1, U2 der Spannung oder/und erste und zweite Anstiegs-Grenzwertes der Spannung betragsmäßig identisch sein.
Ferner kann ein weiteres Kriterium eingeführt werden, wonach nur dann ein Störlichtbogenerkennungssignal (SLES) abgegeben wird, wenn zwischen ersten und zweiten Zeitpunkt t1, t2 die Spannung der Induktivität L bzw. Summenspannung einen dritten Grenzwert U3 unterschreitet.
Im Folgenden wird die Erfindung im anderen Worten erklärt und weiter beschrieben. Die Erfindung schlägt eine neuartige, vorteilhafte Kombination von optischer Erfassung und Feldmessung, sowie die Auswertung der Signalverläufe vor.
Es wird insbesondere ein Störlichtbogensensor SLS vorgeschlagen, der als Kombinationssensor ausgeführt ist. Durch diesen ist eine Erfassung und mittels der Steuereinheit SE eine Auswertung mit frühzeitiger Detektion und erhöhter Detektionssicherheit gegeben.
Als optische Sensoren können Photodioden als einfache kostengünstige Sensorelemente verwendet werden. Die Photodioden werden erfindungsgemäß durch Induktivitäten ergänzt, die durch eine Spule, wie eine leiterplattenintegrierte Induktivität, z.B. in Form einer leiterplattenintegrierten Flachspule / Planarspule, realisiert sein können, siehe 2. Dadurch ist eine integrierte Lösung gegeben, die besonders klein und damit vorteilhaft ist, da sie auch in schwer zugänglichen Stromkreisen / Anlagen eingefügt werden kann.
Durch Parallelschaltung beider Sensoren, Induktivität L und Photodiode PD, kann die Kombination aus Feldentstehung und Lichtbogen des Störlichtbogens in einem einzigen Signalpfad gemessen, abgetastet bzw. ausgewertet werden.
In einer Steuereinheit kann durch einen Mikroprozessor eine Auswertung erfolgen, in dem beispielsweise ein Algorithmus implementiert wird.
Die Photodiode PD kann als Photodiode für nahes Infrarot (NIR), sichtbares Licht (VIS) oder/und ultraviolettes Licht (UV) ausgeführt sein.
Je nach Gestaltung des Störlichtbogensensor SLS / Kombinationssensors können eindeutig die Störlichtbogen-Teilereignisse „Feld“ bzw. „Licht“ (optisch) getrennt und eindeutig erkannt werden, siehe 4.
Ist keine Induktivität vorhanden und wird der Störlichtbogen nur durch eine Photodiode aufgenommen, ist nur das zweite Ereignis A2 ermittelbar. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass z.B. eine Photodiode in SMD-Bauform verwendet wird, ggfs. geschirmte Abgriffe und kurze oder/und geschirmte Leitungen verwendet werden, wodurch ein Feldeinfluss entfällt. Dadurch würde allerdings nur eine Komponente ausgewertet werden, wodurch die Detektionssicherheit sehr gering wäre.
Der erfindungsgemäße Störlichtbogensensor SLS kann vorteilhaft auch in der Hoch- und Mittelspannung eingesetzt werden, wo hohe elektrische Feldstärken auftreten, die im Falle eines Störlichtbogens gut erfasst werden.
Erfindungsgemäß wurde erkannt und durch Messungen belegt, dass beim vorgeschlagenen Störlichtbogensensor SLS / kombinierten Sensor aus Fotodiode und Spule die Feldeffekte des Störlichtbogens zuerst sichtbar sind, gefolgt von einem Fotostrom, der nach einem systemabhängigen, relativ konstanten zeitlichen Abstand entsteht.
Erfindungsgemäß wird als Schutzkriterium vorgeschlagen, dass hinsichtlich des Vorliegen einer impulsartigen Anregung gefolgt von einem ansteigenden Fotostrom geprüft wird, um ein Störlichtbogenerkennungssignal SLES abzugeben. Gegebenenfalls kann ein Ausschwingen des durch die Induktivität und Schaltungskapazität, welche klein gehalten werden sollte, gebildeten Schwingkreises abgewartet werden.
Wird nur ein Ereignis detektiert, so handelt es sich um eine andere Ursache, es wird kein Störlichtbogenerkennungssignal SLES abgegeben.
Eine wesentliche erfindungsgemäße Neuheit ist die Auswertung des zeitlichen Verhaltens eines Signals in welchem zwei physikalische Wirkweisen enthalten sind.
Die zeitliche Abfolge kann beispielsweise durch Grenzwerte, Schwellwerte bzw. Triggerschwellen erreicht werden, welche durch eine definierte einzuhaltende „Totzeit“, Zeitabstand zwischen ersten und zweiten Zeitpunkt, getrennt sind.
Der Zeitabstand liegt typischerweise im einstelligen Mikrosekundenbereich. Systemabhängig können auch beispielsweise bis zu 500µs Zeitabstand auftreten.
Das zeitliche Verhalten kann nach dem Spannungsanstieg der induktiven Komponente auf einen Mindest-Anstiegsunterschied der optischen Komponente / im Lichtsignal-Zeitbereich untersucht werden.
Der Signalverlauf der Einzel- oder Summenspannung kann nach dem Feldtrigger gesampelt und nach Ablauf der erwarteten Zeit für ein Lichtsignal durch Fast-Fourier-Transformation, vorteilhafter durch ständig mitlaufende Algorithmen, beispielsweise SFFT, aufbereitet werden. Die charakteristischen Signale sind dann im Frequenzbereich, vorteilhaft in der Phase, zu detektieren.
Somit können Schwankungen der Amplituden weniger stark Einfluss auf die Entscheidung hinsichtlich eines Störlichtbogen nehmen.
5, 6 und 7 zeigen die Auswertung des Verlaufs der Spannung der Induktivität sowie der Photodiode (Einzeln oder als Summenspannung) mittels so genannter Entscheidungsbäume, respektive Decision Trees. Diese können als eine Form des Machine Learning implementiert sein, bspw. als Algorithmus zur Entscheidung.
Nimmt man gemäß 5 fünf Entscheidungskriterien als Klassen an, Beispielsweise:

1.) erste Zeit H/E-Feld, t1;
2.) Zeitabstand bis zum Spannungsanstieg Photodiode, zweite Zeit t2 bzw. Zeitabstand t2-t1;
3.) Gradient Anstieg 1;
4.) Gradient Anstieg 2;
5.) Stromwert des zu überwachenden Stromes zum Zeitpunkt der der ersten oder/und zweiten Zeit t1, t2,

Gemäß 5 erfolgt nur dann ein Störlichtbogenerkennungssignal, wenn die Entscheidung in der Mitte (dunkles Fünfeck) liegt. Ansonsten können auch andere Störgrößen, wie Bürstenmotor, Altes Relais, Schalter, Dimmer, Powerline, zugrunde liegen.
Gemäß dem Klassifikationsverfahren / Decision Tree nach 6 erfolgt eine Entscheidung mit zwei Merkmalen x1, x2, die nicht durch einfache Schwellwerte trennbar sind. Der Decision Tree ist in 5 Klassen geteilt.
Wenn die aktuellen Spannungswerte im oder nahe dem Band RB sind, erfolgt ein Störlichtbogenerkennungssignal.
7 zeigt die beispielhafte Lage von Merkmalen im Decision Tree.
Die erfindungsgemäße Idee kann mit weiteren Kriterien kombiniert werden.
Beispielsweise kann der elektrische Stromkreis hinsichtlich der Höhe oder Änderung seines Stromes überwacht werden. Ein Störlichtbogenerkennungssignal wird nur dann abgegeben, wenn der Strom oder die zeitliche Änderung des Stromes einen vierten Grenzwert überschreitet.
Ferner kann ein akustischer Sensor vorgesehen sein, wobei eine akustische Messung durchgeführt wird, so dass die akustische Komponente eines Störlichtbogens erfasst wird. Ein Störlichtbogenerkennungssignal wird nur dann abgegeben, wenn zudem eine akustische Komponente eines Störlichtbogens vorliegt.
Durch die Kombination genannter Messgrößen kann ein eindeutiges Kriterium für einen Störlichtbogen aufgestellt werden, da beispielsweise die Wahrscheinlichkeit des zufälligen, gleichzeitigen Auftritts einer Stromänderung, eines Lichtimpulses/Lichtanstieges (optisch) und eines charakteristischen elektromagnetischen Feldes sehr gering ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich dadurch, dass der vorgeschlagene Störlichtbogensensor bzw. die Störlichtbogenerkennungseinheit einen geringen Wartungsaufwand aufweist. Im Gegensatz zu rein optischen Sensoren sind Feldsensoren unempfindlich gegenüber Oberflächenverschmutzung durch Staub oder ähnliches.
Zur eindeutigen Fehlerbestimmung sind mindestens 2 Voraussetzungen notwendig. Durch die Verknüpfung von mehreren Kriterien ist es möglich die Schwellwerte zur Schutzauslösung auf ein Minimum herab zu setzen.
Ist beispielsweise ein Feldstärkeanstieg detektiert, der mit einem innerhalb definierter Zeit nachfolgenden Lichtanstieg und einer großen Stromänderung einhergeht, so liegt ein eindeutiger Störlichtbogen vor. Ein alleiniger Feldstärkeanstieg oder Lichtimpuls, ebenso wie eine Stromänderung (wie z.B. in typ. Schaltvorgang) hingegen kann als Störlichtbogen ausgeschlossen werden.
Spule und Diode sind in einem Kreis mit einem Vorwiderstand auf einer Platine angebracht. Parallel läuft eine Strommessung mit elektrischen Verfahren.
Erfindungsgemäß wird die Kombination von optischer Erfassung und Feldmessung mit einem neuartigen Kombinationssensor einschließlich Auswertung der Summenspannung vorgeschlagen, die eine frühzeitige und sichere Detektion ermöglichen. Die Signale von Feld- und Lichtmessung können über eine Signalleitung erfolgen. D.h. zwei physikalisch unterschiedliche Ursachen können zeitlich getrennt über einen Kanal aufgenommen werden.
Das elektrische Feld wird als erstes detektiert. Dann wird die Reaktionszeit der Diode abgewartet, die in der Größenordnung 3 bis 4 µs liegen kann. Wenn nach beispielsweise 4µs kein Spannungsanstieg bzw. Spannungsänderung / Flanke durch den Lichtstrom auftritt, erfolgt kein Störlichtbogenerkennungssignal. Es kann aber diese Auswertung als Störungsmeldung angezeigt bzw. gespeichert werden.
Andernfalls kann nach 4 bis 5 µs ein Störlichtbogenerkennungssignal abgegeben werden.
Ferner kann eine Stromauswertung erfolgen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Störlichtbogenerkennungseinheit (SLEE) für einen elektrischen Stromkreis, aufweisend: - eine Induktivität (L), - eine Photodiode (PD), die beide mit einer Steuereinheit (SE) verbunden sind und die derart ausgestaltet ist, dass die in der Induktivität (L) und der Photodiode (PD) erzeugte Spannung dahingehend überwacht wird, dass bei Überschreitung: - eines ersten Grenzwertes der Spannung der Induktivität zu einem ersten Zeitpunkt oder eines ersten Anstiegs-Grenzwertes des zeitlichen Anstieges der Spannung der Induktivität zum ersten Zeitpunkt und bei Überschreitung - eines zweiten Grenzwertes der Spannung der Photodiode zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt oder eines zweiten Anstiegs-Grenzwertes der Spannung der Photodiode zum nachfolgenden zweiten Zeitpunkt ein Störlichtbogenerkennungssignal (SLES) abgegeben wird, wobei, - die Induktivität (L) und die Photodiode (PD) elektrisch parallel oder in Serie geschaltet sind und die Summenspannung hinsichtlich der Überschreitung des ersten Grenzwertes oder ersten Anstiegs-Grenzwertes sowie zweiten Grenzwertes oder zweiten Anstiegs-Grenzwertes überwacht wird, und/oder - nur dann ein Störlichtbogenerkennungssignal (SLES) abgegeben wird, wenn zwischen ersten und zweiten Zeitpunkt die Spannung der Induktivität (L) bzw. Summenspannung einen dritten Grenzwert unterschreitet.
Störlichtbogenerkennungseinheit (SLEE) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktivität (L) oder/und der Photodiode (PD) ein Widerstand (R) parallel geschaltet ist.
Störlichtbogenerkennungseinheit (SLEE) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im elektrischen Stromkreis der elektrische Strom ermittelt wird und ein Störlichtbogenerkennungssignal nur dann abgegeben wird, wenn zudem der Strom oder die zeitliche Stromänderung einen vierten Grenzwert überschreitet.
Störlichtbogenerkennungseinheit (SLEE) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Zeitpunkt t1, t2 einen zeitlichen Abstand von weniger als 500, spezieller weniger als 100, 50 oder 10, insbesondere weniger als 5 oder 4, Mikrosekunden aufweisen.
Störlichtbogenerkennungseinheit (SLEE) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (L) als Spule ausgestaltet ist.
Störlichtbogenerkennungseinheit (SLEE) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Stromkreis ein Niederspannungsstromkreis ist.
Störlichtbogenerkennungseinheit (SLEE) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Störlichtbogenerkennungssignal einem Leistungsschalter oder einem Kurzschließer des elektrischen Stromkreises zugeführt wird.
Störlichtbogenerkennungseinheit (SLEE) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Induktivität und die Photodiode als Einheit in einem separaten Gehäuse zusammengefasst sind und die Steuereinheit räumlich getrennt angeordnet ist.
Störlichtbogensensor mit einer Induktivität (L) und einer Photodiode (PD) für eine Störlichtbogenerkennungseinheit (SLES) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8.
Verfahren zur Erkennung eines Störlichtbogens in einem elektrischen Stromkreis, bei der eine elektrische oder magnetische Feldkomponente durch eine Induktivität (L) in eine erste Spannung umgewandelt wird, eine optische Komponente durch eine Photodiode (PD) in eine zweite Spannung umgewandelt wird, die Spannungen dahingehend überwacht werden, dass bei Überschreitung: - eines ersten Grenzwertes der ersten Spannung zu einem ersten Zeitpunkt oder eines ersten Anstiegs-Grenzwertes des zeitlichen Anstieges der ersten Spannung zum ersten Zeitpunkt und bei Überschreitung - eines zweiten Grenzwertes der zweiten Spannung zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt oder eines zweiten Anstiegs-Grenzwertes der zweiten Spannung zum nachfolgenden zweiten Zeitpunkt ein Störlichtbogenerkennungssignal (SLES) abgegeben wird, wobei, - die Induktivität (L) und die Photodiode (PD) elektrisch parallel oder in Serie geschaltet sind und die Summenspannung hinsichtlich der Überschreitung des ersten Grenzwertes oder ersten Anstiegs-Grenzwertes sowie zweiten Grenzwertes oder zweiten Anstiegs-Grenzwertes überwacht wird, und/oder - nur dann ein Störlichtbogenerkennungssignal (SLES) abgegeben wird, wenn zwischen ersten und zweiten Zeitpunkt die Spannung der Induktivität (L) bzw. Summenspannung einen dritten Grenzwert unterschreitet.
Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die einen Klassifikator aufweist und die in einem mehrdimensionalen Merkmalsraum die Überschreitung: - des ersten Grenzwertes der ersten Spannung zu einem ersten Zeitpunkt oder des ersten Anstiegs-Grenzwertes des zeitlichen Anstieges der ersten Spannung zum ersten Zeitpunkt und bei Überschreitung - eines zweiten Grenzwertes der zweiten Spannung zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt oder eines zweiten Anstiegs-Grenzwertes der zweiten Spannung zum nachfolgenden zweiten Zeitpunkt oder/und - dem Vorliegen eines Mindeststromwertes oder der Änderung eines Stromwertes, die einen Änderungsstromwert überschreitet, ermittelt, so dass das Vorhandensein eines Störlichtbogens durch Auswertung mit Hilfe von Entscheidungsbäumen in seiner Wahrscheinlichkeit berechnet wird, und nur bei Vorliegen einer Mindestwahrscheinlichkeit ein Störlichtbogenerkennungssignal (SLES) abgegeben wird.