DE102006019467A1 - Electrical network`s short-circuit detecting method for use in e.g. industry, involves determining actual values as intensity of current flowing in electrical network, and detecting short-circuit when threshold value exceeds threshold value - Google Patents

Electrical network`s short-circuit detecting method for use in e.g. industry, involves determining actual values as intensity of current flowing in electrical network, and detecting short-circuit when threshold value exceeds threshold value Download PDF

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Abstract

The method involves determining three actual values as intensity of current flowing in an electrical network, and determining time dissipations. A respective threshold value for the respective actual values is determined based on a locus criterion. A short-circuit is detected when threshold value exceeds respective actual values. The respective threshold value is determined by theoretical derivatives from a model of the electrical network. An independent claim is also included for a device for detection of short-circuit in an electrical network.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kurzschlussfrüherkennung in elektrischen Netzen.The The invention relates to a method and a device for early detection of short circuits in electrical networks.

Jedes elektrische Netz ist generell gegen Kurzschlüsse im Netz abzusichern. Im Bereich der privaten Hausinstallation sind hierzu Sicherungsautomaten vorgesehen. In der Industrie, insbesondere bei elektrischen Anlagen oder Maschinen wird dies durch Leistungsschalter erreicht, welche über entsprechende Auslöseeinheiten im Kurzschlussfall abgeschaltet werden. Heute werden hier insbesondere Kompaktleistungsschalter mit elektronischer Auslöseeinheit eingesetzt.each electrical network is generally to protect against short circuits in the network. in the The area of private house installation are safety devices intended. In the industry, especially in electrical systems or machines, this is achieved by circuit breakers, which via appropriate trip units be shut off in the event of a short circuit. Today will be here in particular Molded case circuit breaker with electronic trip unit used.

Derartige Schutzvorrichtungen zeichnen sich durch ihre strombegrenzende Wirkung aus. Diese Strombegrenzung schützt sowohl die elektrischen Anlagen (Kabel, Stromschienen etc.), als auch die angeschlossenen Lasten (Maschinen etc.). Durch verkürzte Ansprechzeiten im Kurzschlussfall kann diese Strombegrenzung weiter verbessert werden. Weiterhin sind positive Auswirkungen auf das Schaltvermögen bei frühzeitiger Detektion des Kurzschlusses und damit einer Verringerung der beim Schalten im Gerät umgesetzten Energie erreichbar.such Protection devices are characterized by their current-limiting effect out. This current limit protects both the electrical equipment (cables, tracks, etc.), as also the connected loads (machines etc.). By shortened response times in the event of a short circuit, this current limit can be further improved become. There are also positive effects on the switching capacity early Detection of the short circuit and thus a reduction in the Switching in the device reached energy reached.

Die Strombegrenzung zeichnet sich durch eine Herabsetzung der dynamischen (gegeben durch das Stromquadrat I2) und thermischen Belastungen (gegeben durch ∫i2dt) einer elektrischen Anlage im Kurzschlussfall aus. Zur Realisierung einer guten Strombegrenzung sind folgende Punkte erforderlich:

  • – Ansprechzeiten (Detektionszeit + Eigenzeit des Schalters) möglichst unter 0,5 ms
  • – Impedanzerhöhungen von niedrigen Werten (< 1 mΩ) um ca. drei Größenordnungen im Millisekunden-Maßstab
  • – Stabilität des erhöhten Widerstandes bis zum vollständigen Abschalten des Stromkreises (geringes Wärmedurchlassintegral)
  • – Zerstörungsfestigkeit auch bei extremer Schaltarbeit
  • – reversibles Schaltverhalten
  • – von wesentlicher Bedeutung für die Strombegrenzung ist die Verzugszeit von Kurzschlusseintritt bis zu einer signifikanten Widerstandsänderung
The current limitation is characterized by a reduction of the dynamic (given by the current square I 2 ) and thermal loads (given by ∫i 2 dt) of an electrical system in the event of a short circuit. To realize a good current limit the following points are required:
  • - Response times (detection time + proper time of the switch) if possible below 0.5 ms
  • - Impedance increases of low values (<1 mΩ) by about three orders of magnitude in the millisecond scale
  • - Stability of the increased resistance until complete shutdown of the circuit (low heat transfer integral)
  • - Destruction resistance even with extreme switching work
  • - reversible switching behavior
  • - Of significant importance for the current limit is the delay time from short circuit onset to a significant change in resistance

Die Eigenzeiten einer elektronischen Auswerteeinheit sind bei fest eingestelltem Schwellwert der unverzögerten Kurzschlussauslösung abhängig von der Art des Kurzschlusses (einphasig, dreiphasig) und der Phasenlage des Stromes bei Kurzschlusseintritt. Durch den Einsatz von Kurzschlussfrüherkennungsalgorithmen und einer Anpassung der Schalteraktorik können diese Eigenzeiten deutlich verringert werden.The Own times of an electronic evaluation unit are fixed Threshold of the undelayed Short-circuit tripping dependent the type of short-circuit (single-phase, three-phase) and phase angle the current at short-circuit entry. Through the use of short-circuit detection algorithms and an adaptation of the Schalteraktorik these Eigenzeiten clearly be reduced.

Die Problematik langer Kurzschlusserkennungszeiten elektronischer Auslöseeinheiten wird insbesondere auch aus den Kennlinienfeldern der Leistungsschalter deutlich ersichtlich. Stellt man die Ausschaltkennlinien zweier Leistungsschalter mit identischem mechanischen Aufbau und unterschiedlichen Auslöseeinheiten (elektronisch und thermomagnetisch) gegenüber, so ist eine insbesondere bei hohen Kurzschlussströmen (> 30·Ir) deutlich höhere Ausschaltzeit des Leistungsschalters mit elektronischer Auslöseeinheit zu verzeichnen. Diese annähernd doppelt so lange Zeitspanne bringt aufgrund der langen Einwirkdauer eine hohe Belastung der zu schützenden Anlage mit sich und wirkt sich durch die hohe im Schalter umgesetzte Energie auch negativ auf das Schaltvermögen der Leistungsschalter aus.The problem of long short-circuit detection times of electronic trip units is particularly evident from the characteristics of the circuit breaker. If one compares the switch-off characteristics of two circuit-breakers with identical mechanical design and different trip units (electronic and thermomagnetic), a significantly longer switch-off time of the circuit breaker with electronic trip unit is noticeable, especially at high short-circuit currents (> 30 · I r ). Due to the long exposure time, this approximately twice as long period of time entails a high load on the system to be protected and, due to the high energy converted in the switch, also has a negative effect on the switching capacity of the circuit breaker.

Zur Verringerung der Ansprechzeiten, wurden bereits in verschiedenen Druckschriften Lösungswege auf Basis einer Kurzschlussfrüherkennung vorgestellt. Neben den klassischen Überstromauslösern, welche den Momentanwert des fließenden Stromes mit einem Schwellwert vergleichen, wird als weiteres Kriterium zur Kurzschlusserkennung eine di/dt-Auslösung in [FRANKEN70: "FRANKEN, H.: Niederspannungs-Leistungsschalter, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, 1970"] genannt. Diese Art der Auslösung spricht nur auf die Steilheit der Stromkurve aber nicht auf die erreichte Stromstärke an. Zunächst wurde dieses Kriterium zur Verkürzung der Ausschaltzeiten von Gleichstromschnellschaltern nur bei Gleichstrom verwandt, da in Wechsel- bzw. Drehstromsystemen die Beziehung zwischen Stromanstiegsgeschwindigkeit, Kurzschlussstrom und Spannung abhängig vom Kurzschlusszeitpunkt und vom Leistungsfaktor des Netzes ist. In der Praxis kann die Auslösung von der Stromanstiegsgeschwindigkeit abhängig gemacht werden, indem die Auslöserwicklung parallel zu einem induktiven Shunt gelegt wird. Bei hohen Stromanstiegen steigt die Spannung somit proportional zum Stromanstieg an.to Reduction in response times, have already been in different Pamphlets solutions on Basis of a short circuit early detection presented. In addition to the classic overcurrent releases, which the Instantaneous value of the flowing Comparing current with a threshold is considered another criterion for short-circuit detection, a di / dt tripping in [FRANKEN70: "FRANKEN, H .: low-voltage circuit breaker, Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg, 1970.]] This type of triggering speaks only on the steepness of the current curve but not on the reached amperage at. First this criterion has been shortened the switch-off times of DC high-speed switches only with direct current Since, in AC systems, the relationship between Current slew rate, short circuit current and voltage dependent on Short-circuit point and the power factor of the network. In In practice, the triggering be made dependent on the current rate of increase by the trigger winding placed parallel to an inductive shunt. At high current increases the voltage increases in proportion to the current increase.

Die Detektion eines Kurzschlusses mit einer Kurzschlussfrüherkennung aus einer Kombination beider Kriterien, Momentanwert des Stromes und Stromsteilheit, wird in DE 36 42 136 C2 vorgestellt. In jeder Hauptstrombahn wird hierzu ein Sensor zur Bestimmung der Stromsteilheiten, z.B. Rogowski-Wandler, eingesetzt. Daran schließt sich eine digitale Bildung von Wertepaaren aus Stromsteilheit und Momentanwert des Stromes an, welche mit vorgegebenen Schwellwertfunktionen verglichen werden. Dieser Vergleich wird vorzugsweise über ein Ortskurvenkriterium durchgeführt. Zur Auslösung des Schaltgerätes im Kurzschlussfall kann beispielsweise ein Kondensator auf die Spule eines Schnellauslösers (z.B. Thomson-Spule) entladen werden. Ein Nachteil des in DE'136 beschriebenen Algorithmus ist, dass er nur eine Bewertung von Schaltvorgängen ohne Vorstrom ermöglicht. Somit können Veränderungen des Leistungsfaktors, z.B. durch Zu- bzw. Abschalten großer Maschinen, und/oder Änderungen des Stromes bereits zur Auslösung führen, obwohl diese noch im zulässigen Bereich liegen.The detection of a short circuit with early detection of short - circuit from a combination of both criteria, instantaneous value of the current and current gradient, is recorded in DE 36 42 136 C2 presented. In every home For this purpose, a current sensor is used to determine the current gradients, eg Rogowski transducers. This is followed by a digital formation of pairs of values from current gradient and instantaneous value of the current, which are compared with predetermined threshold functions. This comparison is preferably carried out via a locus criterion. To trigger the switching device in the event of a short circuit, for example, a capacitor to the coil of a quick release (eg Thomson coil) are discharged. A disadvantage of the algorithm described in DE'136 is that it only allows evaluation of switching operations without bias current. Thus, changes in the power factor, for example, by switching on and off of large machines, and / or changes in the current already cause tripping, although they are still within the permissible range.

Der Algorithmus nach [STEGE92, "Stege, M.: Kurzschluss-Erkennungsalgorithmen zum strombegrenzenden Schalten, Dissertation, TU Braunschweig, 1992) basiert ebenfalls auf dem in DE'136 gezeigten Ortskurvenkriterium und soll eine Kurzschlusserkennung innerhalb weniger 100 μs ermöglichen. Als Vorteile des umgesetzten digitalen Aufbaus sind die genauen und gut reproduzierbaren Einstellmöglichkeiten der Grenzwerte sowie die Möglichkeit der Fernüberwachung zu nennen. Als Sensor dient auch hier eine Rogowski-Spule, welche die Stromsteilheit di(t)/dt erfasst. Eine numerische Integration generiert aus diesem Signal den zeitlichen Stromverlauf i(t), überlagert dieses mit den zur gleichen Zeit t auftretenden Stromsteilheiten di(t)/dt und vergleicht die Summe aus beiden mit einem Extrapolationskriterium gemäß

Figure 00040001
The algorithm according to [STEGE92, Stege, M .: short-circuit detection algorithms for current-limiting switching, dissertation, TU Braunschweig, 1992) is also based on the locus criterion shown in DE'136 and is intended to enable short-circuit detection within a few 100 μs Digital setups include the exact and easily reproducible setting options for the limit values as well as the possibility of remote monitoring.The sensor used here is a Rogowski coil, which measures the current gradient di (t) / dt.A numerical integration generates the temporal current profile from this signal i (t) superimposes this with the current gradients di (t) / dt occurring at the same time t and compares the sum of both with an extrapolation criterion according to FIG
Figure 00040001

Ein vorgeschaltetes Tiefpassfilter reduziert dabei den Einfluss von Stromrichterströmen auf das Messsignal. Der Wert des Extrapolationskriteriums gextra berechnet sich in einem Netz mit Leistungsfaktor cosφr des maximalen regulären Strom Ior zu

Figure 00040002
An upstream low-pass filter reduces the influence of converter currents on the measuring signal. The value of the extrapolation criterion g extra is calculated in a network with power factor cosφ r of the maximum regular current I or
Figure 00040002

Problematisch gestaltet sich bei der Anwendung eines solchen Algorithmus die Bewertung von Transienten und Harmonischen im Stromsignal. Weiterhin muss der Leistungsfaktor des zu schützenden Netzes bekannt sein, d.h. bekannte und starre Netzverhältnisse müssen hierzu vorliegen.Problematic the evaluation is carried out using such an algorithm of transients and harmonics in the current signal. Still must the power factor of the protected Network, i. known and rigid network conditions have to available.

In einem weiteren Verfahren, beschrieben in [RIVETTI 97:, Rivetti, G., Teigland, J.: Intelligenz in Niederspannungsleistungsschaltern, ABB Technik, Heft 4, 1997], wird ebenfalls die Hüllkurve einer Ortskurvendarstellung di(t)/dt–i(t)-Kennlinie als Auslösekriterium verwendet. Der dort verwendete Algorithmus beruht im Wesentlichen auf [STEGE92], besitzt eine Erfassungszeit von ungefähr 300 μs und eine für das Erkennen des Kurzschlusses notwendige Gesamterkennungszeit von weniger als 1 ms. Die dazu notwendige Abtastrate beträgt 50–100 kHz pro Phase. Für eine Auslösung des Schaltgerätes sind drei aufeinander folgende Abtastwerte außerhalb des als zulässig definierten Bereiches notwendig. Der Algorithmus wurde in eine selbstversorgte Schutzeinrichtung implementiert, welche einen Schutz in Echtzeit ermöglicht. Grundvoraussetzung hierfür sind hochwertige Stromsensoren und eine angepasste Filterung hochfrequenter Signale. Mit der elektronischen Auslöseeinheit PR223EF für Kompaktleistungsschalter ab 250 A bietet der Hersteller ABB gemäß [ABB 04: ABB Faltblatt, Der neue elektronische Auslöser PR223EF: mehr als nur Zonenselektivität, ABB, 2004] die Möglichkeit der Reduzierung der Auslösezeit bei Zonenselektivität um eine Größenordnung von einigen Hundert auf wenige Millisekunden an. Realisiert ist dies über einen ASIC-Schaltkreis, welcher die Kurzschlusserkennung und die Verriegelung der vorgeschalteten Geräte gleichzeitig ausführt. In diese elektronische Auslöseeinheit wird der vom Hersteller als „EFDP" (Early Fault Detection and Prevention) bezeichnete Algorithmus implementiert, welcher eine Kurzschlussfrüherkennung innerhalb 300 μs realisieren soll und auf [STEGE 92] bzw. [RIVETTI 97] basieren dürfte.In another method described in [RIVETTI 97 :, Rivetti, G., Teigland, J .: Intelligence in Low Voltage Circuit Breakers, ABB Technique, Issue 4, 1997], also becomes the envelope of a locus plot di (t) / dt i (t) characteristic as a triggering criterion used. The algorithm used there is essentially based on [STEGE92], has a detection time of approximately 300 μs and a for the Recognizing the short circuit necessary total detection time of less than 1 ms. The necessary sampling rate is 50-100 kHz per phase. For a trip of the switchgear are three consecutive samples outside the range defined as acceptable Area necessary. The algorithm became a self-powered protection device implemented, which allows protection in real time. Basic requirement for this are high-quality current sensors and adapted filtering high-frequency Signals. With the electronic trip unit PR223EF for molded case circuit breakers Starting at 250 A, the manufacturer offers ABB according to [ABB 04: ABB Leaflet, The new electronic releases PR223EF: more than just zone selectivity, ABB, 2004] the possibility the reduction of the tripping time at zone selectivity by an order of magnitude from a few hundred to a few milliseconds. Is realized this over an ASIC circuit, which the short circuit detection and the Locking the upstream devices simultaneously performs. In this electronic trip unit is the manufacturer's "EFDP" (Early Fault Detection and Prevention), which implements a Short early within 300 μs should be based on [STEGE 92] or [RIVETTI 97].

In [ROY 66: Roy, S. C., Erweiterung der Auslöseeinrichtung von strombegrenzenden Schaltgeräten zur Erhöhung der Auslösegenauigkeit und Erzielung von Selektivität, Dissertation, TH Hannover, 1966] bzw. DE 015 88 096 A wurde ein Kriterium zur Kurzschlusserkennung als Summe aus erster und zweiter Ableitung des Stromes vorgestellt.In [ROY 66: Roy, SC, extension of the triggering device of current-limiting switching devices to increase the tripping accuracy and achievement of selectivity, dissertation, TH Hannover, 1966] or DE 015 88 096 A a criterion for short-circuit detection was presented as the sum of the first and second derivative of the current.

Figure 00050001
Figure 00050001

Die 2. Ableitung wurde durch eine L-C-Schaltung aus der 1. Ableitung des Stromes erzeugt, weshalb das Signal mit einem Ausgleichsglied behaftet ist. Zudem ist das Signal aufgrund der L-C-Schaltung nur sehr leistungsschwach, was seine Auswertung stark erschwert. Auch werden zur Ermittlung des Ansprechwertes g und zur Bestimmung der Faktoren x und y keine Angaben gemacht.The second derivative was generated by an LC circuit from the 1st derivative of the current, which is why the signal is associated with a balancing member. In addition, the signal is only very due to the LC circuit low performance, which makes his evaluation difficult. Also, no information is provided for determining the response value g and for determining the factors x and y.

Der Hersteller ABB beschreibt in DE 199 54 950 A1 ein weiteres Verfahren zur Erkennung von Kurzschlüssen in Verteilernetzen, insbesondere der Mittelspannungsebene, welches aus einer konventionellen Grenzwertüberwachung (z.B. Stromkriterium, di(t)/dt–i(t)-Kriterium) und einer Unsicherheitsbereich-Überwachung besteht. Dieser Unsicherheitsbereich verbessert die Unterscheidung zwischen Kurzschlüssen und kurzschlussähnlichen Ereignissen. Innerhalb dieses Unsicherheitsbereiches werden unter Verwendung künstlicher neuronaler Netze diskrete Abtastwerte auf einen vorliegenden Kurzschluss untersucht. Hierbei kann der Bereich „Fehler" bzw. „kein Fehler" des klassischen Verfahrens enger gewählt werden, da ein dritter Bereich „vielleicht Fehler" als Unsicherheitsbereich definiert wird, innerhalb dessen mittels neuronaler Netze entschieden wird, ob ein Kurzschluss vorliegt. Anhand eines in einem Anlernprozess erworbenen „Wissens" ist das neuronale Netz in der Lage, das Ereignis richtig einzuordnen und über eine Auslösung des Schaltgerätes zu entscheiden. Nachteil des Verfahrens ist der Anlernprozess, welcher mindestens 500 Schaltungen (auch Kurzschlüsse) umfassen sollte und somit diese Art der Kurzschlussfrüherkennung, insbesondere in der Niederspannung als wenig praxisrelevant erscheinen lässt, auch wenn eine weitere selbständige Anpassung des Algorithmus an die vorliegenden Netzgegebenheiten auf diese Weise realisierbar ist.The manufacturer ABB describes in DE 199 54 950 A1 a further method for detecting short circuits in distribution networks, in particular the medium voltage level, which consists of a conventional limit monitoring (eg current criterion, di (t) / dt-i (t) criterion) and an uncertainty area monitoring. This uncertainty improves the distinction between short circuits and short circuit-like events. Within this uncertainty range, discrete samples are examined for a present short circuit using artificial neural networks. In this case, the area "error" or "no error" of the classical method can be selected narrower, since a third area "perhaps error" is defined as an area of uncertainty, within which a decision is made by means of neural networks as to whether a short circuit exists Learning process, the neural network is able to classify the event correctly and to decide on a tripping of the switching device. Disadvantage of the method is the training process, which should include at least 500 circuits (including short circuits) and thus this type of early detection of short circuits, especially in the low voltage as little relevant to practice, even if a further independent adaptation of the algorithm to the present network conditions in this way feasible is.

DE 197 29 599 C1 beschreibt eine Kurzschlusserkennung auf Basis des Ortskurvenkriteriums. Dabei wird durch Polygonzüge eine Einhüllende der Ortskurven gebildet, wodurch das Abschaltkriterium (Tolerantes Ortskurvenkriterium) unabhängig vom Schaltzeitpunkt, Vorstrom und vom Leistungsfaktor des Netzes wird. Der Einfluss durch Oberwellen kann durch Aufweitung der Einhüllenden, bei gleichzeitiger Verschlechterung der Erkennungseigenschaften, kompensiert werden. Im Netz auftretende Stromspitzen werden durch entsprechend hohe Mindestabtastraten beherrscht. DE 197 29 599 C1 describes a short circuit detection based on the locus criterion. In this case, an envelope of the loci is formed by polygons, whereby the switch-off criterion (tolerant locus criterion) becomes independent of the switching time, bias current and power factor of the network. The influence of harmonics can be compensated by widening the envelope, while at the same time worsening the detection properties. Current peaks occurring in the network are controlled by correspondingly high minimum sampling rates.

In der DE 198 39 617 A1 wird das Prinzip der Kurzschlussauslösung eines Halbleiterschalters auf SiC-Basis dargestellt. Als Auslösekriterium wird das Produkt aus Momentanwert des Stromes und der aktuellen Stromsteilheit

Figure 00070001
verwendet. Falls das Auslösekriterium erfüllt ist, wird das Auslösesignal an zwei antiseriell geschaltete J-FETs übertragen, welche den Stromkreis unterbrechen.In the DE 198 39 617 A1 the principle of short circuit tripping of a SiC-based semiconductor switch is shown. The trigger criterion is the product of instantaneous value of the current and the current current gradient
Figure 00070001
used. If the trigger criterion is met, the trip signal is transmitted to two anti-serial J-FETs which interrupt the circuit.

In DE 36 26 400 A1 und DE 41 28 618 A1 werden weitere Verfahren zur Schnellerkennung von Kurzschlüssen vorgestellt. Diese basieren im Wesentlichen auf einer kombinierten Strom- und Spannungsmessung, aus welcher die komplexen Werte für Impedanzen und Leistungen des Netzes gebildet werden. Die sich nach einer Fast Fourier Transformation FFT ergebenden Spektren werden zur Erkennung von Kurzschlüssen mit den für das entsprechende Netz abgespeicherten Schwellwerten verglichen. Ein weiteres Verfahren nach [FISCHER 95: Fischer, B., Verfahren zur schnellen Erkennung von Zustandsänderungen mittels Kurzzeitanalyse im tonfrequenten Bereich, Dissertation, Universität der Bundeswehr Hamburg, 1995] basiert ebenfalls auf dem oben dargestellten Verfahren nach DE'400 und nutzt eine Analyse der Transienten Strom- und Spannungssignale im tonfrequenten Bereich während des Kurzschlusses. Hierbei werden Real- und Imaginärteil der komplexen Admittanz des Netzes im tonfrequenten Bereich (f = 5 kHz) erfasst und mit Schwellwerten verglichen. Zusätzlich erfolgt eine diskrete Kreuzkorrelation aus Strom und Spannung. Der Vorteil des Algorithmus ist, dass die Schwellwerte unabhängig vom prospektiven Kurzschlussstrom, der Phasenlage von Strom und Spannung und des Zeitpunkts des Kurzschlusseintritts sind. Voraussetzung hierfür ist, dass die spektralen Leistungsdichten von Strom und Spannung, und somit die daraus gewonnenen Admittanzen bzw. Leistungen, im Tonfrequenzbereich bei Normalbetrieb bekannt sind.In DE 36 26 400 A1 and DE 41 28 618 A1 Further methods for fast detection of short circuits are presented. These are essentially based on a combined current and voltage measurement, from which the complex values for impedances and power of the network are formed. The resulting after a Fast Fourier transform FFT spectra are compared to detect short circuits with the thresholds stored for the corresponding network. Another method according to [FISCHER 95: Fischer, B., Method for rapid detection of state changes by means of short-term analysis in the audio-frequency domain, Dissertation, University of the Federal Armed Forces Hamburg, 1995] is also based on the method described above according to DE'400 and uses an analysis of Transient current and voltage signals in the audio frequency range during the short circuit. Here, real and imaginary part of the complex admittance of the network in the audio frequency range (f = 5 kHz) are detected and compared with thresholds. In addition, there is a discrete cross-correlation of current and voltage. The advantage of the algorithm is that the threshold values are independent of the prospective short-circuit current, the phase position of the current and voltage, and the time of the short-circuit occurrence. The prerequisite for this is that the spectral power densities of current and voltage, and thus the admittances or powers obtained therefrom, are known in the audio frequency range during normal operation.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der strombegrenzenden Wirkung und des Schaltvermögens von Schutzgeräten, insbesondere Kompaktleistungsschaltern mit elektronischer Auslöseeinheit zur Kurzschlussfrüherkennung in elektrischen Netzen anzugeben. Eine schnelle Erkennung von Kurzschlüssen in elektrischen Netzen soll also mittels elektronischer Auswertung von Signalen realisiert werden. Durch diese Verkürzung der Auslösezeit soll eine deutliche Verbesserung der Strombegrenzung im Vergleich zu bisherigen Konzepten erreicht werden.task The invention is a method and an apparatus for improvement the current-limiting effect and the switching capacity of protective devices, in particular Compact circuit breakers with electronic trip unit for early detection of short circuits in electrical networks. A quick detection of short circuits in electrical networks should be so by electronic evaluation be realized by signals. By this shortening of the trip time should a significant improvement in current limitation compared to previous concepts are achieved.

Die Aufgabe der Erfindung wird hinsichtlich des Verfahrens gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1.The The object of the invention is achieved with respect to the method a method according to claim 1.

Bei dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 wird also ein bekanntes Ortskurvenkriterium, welches ein kombiniertes Strom- und Stromsteilheitskriterium (erster und zweiter Istwert) darstellt, also die im Netz fließende Stromstärke sowie deren erste Ableitung benutzt, um das Kriterium der zweiten Ableitung (dritter Istwert) der Stromstärke erweitert. Da die zweite Ableitung den beiden anderen Kriterien im Kurzschlussfall zeitlich voreilt, wirkt sich dieses Zusatzkriterium positiv auf einer Verringerung der Kurzschlusserkennungszeiten aus.at the method according to claim Thus, 1 becomes a known locus criterion, which is a combined locus criterion Current and current gradient criterion (first and second actual value) represents, ie the current flowing in the network and whose first derivative uses the criterion of the second derivative (third actual value) of the current extended. Because the second derivative meets the other two criteria in the event of a short circuit, this additional criterion has an effect positive for a reduction of the short circuit detection times.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind deshalb die Kurzschlusserkennungszeiten deutlich verringert und somit die strombegrenzenden Eigenschaften einer entsprechenden Anordnung für das elektrische Netz deutlich verbessert.By the inventive method Therefore, the short circuit detection times are significantly reduced and thus the current-limiting properties of a corresponding Arrangement for significantly improved the electrical network.

Aus der theoretischen Betrachtung eines Ersatzschaltbildes des zu überwachenden Netzes bezüglich der zweiten Ableitung des dort fließenden Stromes oder einer einfachen Netzsimulation können durch Überlagerung von Ortskurven Auslöseschwellwerte bestimmt werden. Die Einhüllenden der Ortskurven werden dann als Auslösekriterium, also Erkennungskriterium für einen Kurzschluss verwendet.Out the theoretical consideration of an equivalent circuit of the monitored Net regarding the second derivative of the flowing there Stromes or a simple network simulation can be done by overlaying loci Trip Levels be determined. The envelopes The loci are then used as a trigger criterion, ie recognition criterion for one Short circuit used.

Daher kann der jeweilige Grenzwert also durch theoretische Ableitung, Simulation oder Überlagerung von Ortskurvern ermittelt werden.Therefore Thus, the respective limit can be determined by theoretical derivation, Simulation or overlay of Ortskurvern be determined.

Alle in einem Netz auftretenden Istwerte können in einem dreidimensionalen Raum als Schar von Ortskurven aufgetragen werden. Die Grenzwerte zur Kurzschlusserkennung können aus der Einhüllenden dieser Ortskurvenschar bestimmt werden. Die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Annäherung der Ortskurvenschar durch einen einhüllenden Quader vereinfacht. Dieser beinhaltet alle regulären Zustände eines ohmsch-induktiven Systems. Ein Kurzschluss wird immer dann erkannt, wenn ein dreidimensionales Wertetripel aus erstem, zweitem und drittem Ist-Wert den Quader verlässt.All Actual values occurring in a network can be displayed in a three-dimensional Space can be applied as a group of loci. The limits for short-circuit detection can from the envelope this locus can be determined. The realization of the method according to the invention gets through the approach the locus of the locus is simplified by an enveloping cuboid. This includes all regular ones conditions an ohmic-inductive system. A short circuit is always then detected when a three-dimensional value triple from first, second and third actual value leaves the cuboid.

Der Maximalwert der 2. Ableitung, als Grenzwert des dritten Istwertes kann zu

Figure 00090001
bestimmt werden.The maximum value of the 2nd derivative, as the limit value of the third actual value, can be added
Figure 00090001
be determined.

Für den Strom gilt weiterhin als Grenzwert

Figure 00090002
und für die 1. Ableitung
Figure 00090003
The electricity continues to be the limit
Figure 00090002
and for the 1st derivative
Figure 00090003

Die Ist-Werte können bei Überschreitung eines Grenzwertes einen Wichtungsfaktor aktivieren. Erst wenn die Summe aller Wichtungsfaktoren einen Grenzwert überschreitet, wird der Kurzschluss erkannt. So kann z.B. ein Überschreiten eines Ist-Wertes alleine noch nicht zu einer Auslösung führen, wenn nicht auch ein anderer Ist-Wert seinen Grenzwert überschritten hat. So können Fehlauslösungen vermieden werden.The Actual values can when exceeded of a limit, activate a weighting factor. Only when the Sum of all weighting factors exceeds a limit, the short circuit recognized. Thus, e.g. a crossing an actual value alone does not trigger, if not Another actual value has exceeded its limit. This prevents false triggering become.

Die Grenzwerte oder Wichtungsfaktoren bzw. deren Summe können auch in einer Warteschlange (Queue) gespeichert werden. Ein Kurzschluss wird dann erst erkannt, wenn die Summe der Werte in der Warteschlange einen Grenzwert übersteigt. Dies bringt eine zusätzliche Vermeidung von Fehlauslösungen, hervorgerufen durch transiente Überschreitung der Grenzwerte, mit sich, da die Ansprechwerte zur Detektion eines Kurzschlusses mehrfach überschritten werden müssen.The Limit values or weighting factors or their sum can also stored in a queue. A short circuit is then recognized only when the sum of the values in the queue exceeds a limit. This brings an extra Avoidance of false triggering, caused by transient overshoot the limit values, with it, since the thresholds for the detection of a Short circuit exceeded several times Need to become.

Über einen Ansprechwert werden die Ansprechgrenzen der drei einzelnen Kriterien bzw. Grenzwerte entsprechend erhöht oder erniedrigt. Für ohmsch-induktive Kreise ist dieser Ansprechwert z.B. Ii = 2. Für andere Verbraucher z. B. Maschinen mit hohen Einschaltströmen ist der Ansprechwert entsprechend zu wählen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den multiplikativen Ansprechwert neben dem gesamten Spektrum Ohmsch-Induktiver Netze auch an Maschinen und Transformatoranläufe sowie an das Schalten kapazitiver Lasten, z.B. Kompensationsanlagen, anpassbar und bietet somit einen erweiterten Einsatzbereich.A response value increases or decreases the response limits of the three individual criteria or limit values accordingly. For ohmic-inductive circuits, this threshold is eg I i = 2. B. Machines with high inrush currents, the response value should be selected accordingly. Due to the multiplicative response value, the method according to the invention can also be adapted to machines and transformer starts as well as to the switching of capacitive loads, eg compensation systems, in addition to the entire spectrum of ohmic-inductive networks and thus offers an extended range of application.

Als Sensor zur Aufnahme der Ist-Werte bzw. einer Größe zu deren Ableitung, kann eine Rogowski-Spule dienen.As a sensor for recording the actual values or a variable for their derivation, a ro serve gowski coil.

Als Aktor zur Entriegelung des Schutzgerätes kann zur weiteren Verbesserung der Strombegrenzung ein Schnellstauslöser (vorzugsweise Thomsonantrieb oder Piezoaktor) Verwendung finden.When Actuator for unlocking the protection device can be used to further improve the current limit a high-speed release (preferably Thomsonantrieb or Piezoaktor) find use.

Die Verarbeitung der entsprechenden Signale, also des zeitlichen Verlaufes von erstem, zweitem und drittem Istwert kann auf verschiedene Art erfolgen. Die entsprechende Integration und/oder Differentiation kann analog ausgeführt werden. Vorteilhaft hierbei ist eine schnelle Auswertung und damit Reaktionszeit der gesamten Anordnung. Nachteilig an einer analogen Realisierung kann unter Umständen allerdings ein hoher Leistungsbedarf der entsprechenden Auswerteeinheit, Störanfälligkeit gegen EMV, ungenügende Temperaturstabilität oder Alterung sein.The Processing of the corresponding signals, ie the time course of the first, second and third actual value can be given in different ways respectively. The appropriate integration and / or differentiation can executed analogously become. The advantage here is a quick evaluation and thus Reaction time of the entire arrangement. A disadvantage of an analog Realization may be possible however, a high power requirement of the corresponding evaluation unit, susceptibility against EMC, insufficient temperature stability or aging.

Alternativ kann daher die Integration und/oder Differentiation auch numerisch, also digital erfolgen. Eine digitale Realisierung ist temperaturstabil, hat einen geringen Leistungsbedarf und weist kaum Alterung auf. Eine einfache Implementierung von Änderungen ist möglich, was zu Flexibilität oder der Möglichkeit führt, Umgebungsbedingungen zu adaptieren. Problematisch könnte allerdings eine geringere Auswertegeschwindigkeit sein. Außerdem sind für eine genaue Diskretisierung große Speichertiefen und hohe Abtastraten notwendig.alternative Therefore, the integration and / or differentiation can also numerically, so be digital. A digital realization is temperature stable, has a low power requirement and has hardly any aging. A simple implementation of changes is possible, what to flexibility or the possibility leads, environmental conditions to adapt. Could be problematic However, be a lower evaluation speed. Besides, they are for one exact discretization great Memory depths and high sampling rates necessary.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12. Diese und deren Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.Regarding The device is achieved by a device according to claim 12. These and their benefits have already been linked with the method according to the invention explained.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils ein einer schematischen Prinzipskizze:For another Description of the invention will be to the embodiments of the drawings directed. Each shows a schematic schematic diagram:

1 den zeitlichen Verlauf eines Stromes und dessen erster und zweiter Ableitung, 1 the time course of a current and its first and second derivative,

2 das Ersatzschaltbild 2 eines zu schützenden Netzes, 2 the equivalent circuit diagram 2 a network to be protected,

3 eine normierte Darstellung der 2. Ableitung des Stromes zum Einschaltzeitpunkt eines ohmsch-induktiven Kreises, 3 a standardized representation of the second derivative of the current at the switch-on time of an ohmic-inductive circuit,

4, 5 Ortskurven von Einschaltvorgängen in ohmsch-induktiven Netzen mit unterschiedlichem Einschaltphasenwinkel der Spannung, 4 . 5 Loci of switch-on processes in ohmic-inductive networks with different switch-on phase angle of the voltage,

6 einen dreidimensionalen Grenzquader, 6 a three-dimensional border square,

7 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 7 an arrangement for carrying out the method according to the invention,

8 ein Ablaufschema für das erfindungsgemäße Verfahren. 8th a flow chart for the inventive method.

1 zeigt über der Zeit t aufgetragen, den Verlauf des Stromes i(t) 100, dessen erster 102 und zweiter 104 Ableitung im Kurzschluss-Fall. Es ist zu erkennen, wie die zweite Ableitung 104 den anderen beiden Kurven zeitlich vorauseilt. 1 shows over the time t plotted, the course of the current i (t) 100 whose first 102 and second 104 Discharge in the event of a short circuit. It can be seen as the second derivative 104 the other two curves ahead of time.

2 zeigt das Ersatzschaltbild 2 eines zu schützenden Netzes mit einer Resitanz R und einer Induktivität L des Kreises. Aus diesem lässt sich bei einer Nennspannung (Effektivwert) UN und einem Phasenwinkel ψ der Spannung folgende Differentialgleichung für den Einschaltvorgang des einphasigen ohmsch-induktiven Kreises ermitteln:

Figure 00120001
2 shows the equivalent circuit diagram 2 a protected network with a resistance R and an inductance L of the circle. For a rated voltage (effective value) U N and a phase angle ψ of the voltage, the following differential equation for the switch-on operation of the single-phase ohmic-inductive circuit can be determined from this:
Figure 00120001

Mit einer Phasenverschiebung

Figure 00120002
und einem Nennstrom (Effektivwert) IN wird der Einschaltstrom im Zeitbereich durch folgende Gleichung beschrieben:
Figure 00120003
With a phase shift
Figure 00120002
and a rated current (RMS) I N , the inrush current in the time domain is described by the following equation:
Figure 00120003

Nach zweimaligem Differenzieren ergibt sich für die zu beurteilende 2. Ableitung des Stromes:

Figure 00120004
After two differentiations, the result for the second derivative of the current to be assessed is:
Figure 00120004

3 zeigt eine auf ω2IN normierte Darstellung der 2. Ableitung 106 des Stromes zum Einschaltzeitpunkt des ohmsch-induktiven Kreises (t = 0) mit jeweils einem unteren Leistungsfaktor (z. B. cosφu = 0,1) und einem oberen Leistungsfaktor (z. B. cosφo = 0,9) über verschiedene Phasenwinkel ψ. Über theoretische Betrachtungen und einfache Netzsimulationen können durch Überlagerung von Ortskurven innerhalb eines festgelegten Leistungsfaktor- und Schaltwinkelbereichs die Auslöseschwellwerte als Grenzkurve bestimmt werden. Die Realisierung eines für ohmsch-induktive Netze optimierten Kurzschlussfrüherkennungsverfahrens erfolgt somit durch Verwendung der Einhüllenden der Ortskurven als Auslösekriterium. 3 shows a normalized to ω 2 I N representation of the second derivative 106 of the current at the switch-on time of the ohmic-inductive circuit (t = 0), each having a lower power factor (eg cosφ u = 0.1) and an upper power factor (eg cosφ o = 0.9) over different phase angles ψ. Using theoretical considerations and simple network simulations, the tripping thresholds can be determined as a limit curve by superimposing loci within a defined power factor and switching angle range. The realization of an optimized for ohmic inductive networks short-circuit detection method thus takes place by using the envelope of the loci as a triggering criterion.

Beispiele für Ortskurven 24 und 26 von Einschaltvorgängen in ohmsch-induktiven Netzen mit unterschiedlichem Einschaltphasenwinkel der Spannung sind in 4 und 5 dargestellt.Examples of loci 24 and 26 of switch-on processes in ohmic-inductive networks with different switch-on phase angle of the voltage are in 4 and 5 shown.

Zur Verringerung des Aufwandes einer Implementierung des Algorithmus im Schutzgerät und zur Verbesserung des Störverhaltens im Einsatz unter realen Bedingungen werden die Auslöseschwellwerte des Ortskurvenkriteriums durch einen einhüllenden Quader 120, 122 angenähert. Im Folgenden wird dieser vereinfachte Kurzschlussfrüherkennungsalgorithmus daher als Quader-Kriterium bezeichnet.In order to reduce the expense of implementing the algorithm in the protection device and to improve the disturbance behavior in use under real conditions, the tripping threshold values of the locus criterion become an enveloping cuboid 120 . 122 approximated. In the following, this simplified short-circuit detection algorithm is therefore referred to as a cuboid criterion.

Bei einem Einschaltphasenwinkel der Spannung

Figure 00130001
beträgt der Maximalwert der 2. Ableitung für cosφo = 0,9 zum Einschaltzeitpunkt t = 0
Figure 00130002
At a switch-on phase angle of the voltage
Figure 00130001
is the maximum value of the 2nd derivative for cosφ o = 0.9 at the switch-on time t = 0
Figure 00130002

Mit diesem Maximalwert der 2. Ableitung als Auslöseschwelle lassen sich über Erweiterung mit den aus der Literatur bekannten Grenzwerte für Strom und der Stromsteilheit für die Anwendung des Kurzschlusserkennungsalgorithmus die in 6 dargestellten Grenzwerte für das Quader-Kriterium festlegen. 6 zeigt dabei lediglich die Beträge der drei Ist-Werte Strom, 1. und 2. Ableitung und somit auch nur ein achtel des Quaders 124 im dreidimensionalen positiven und negativen Zahlenraum.With this maximum value of the second derivative as the triggering threshold, it is possible by extension with the limit values for current known from the literature and the current steepness for the application of the short-circuit detection algorithm to determine the in 6 set limit values for the cuboid criterion. 6 shows only the amounts of the three actual values current, 1st and 2nd derivative and thus only one eighth of the cuboid 124 in the three-dimensional positive and negative number space.

Verlassen die Ortskurven den durch das Kurzschlusserkennungskriterium vorgegebenen regulären Bereich, also den Quader des Quaderkriteriums, so wird ein Fehler detektiert und vom Schutzgerät (vorzugsweise Leistungsschalter) abgeschaltet.leaving the loci given by the short circuit detection criterion regular area, So the cuboid of the cuboid criterion, so an error is detected and the protection device (preferably circuit breaker) switched off.

7 zeigt einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem zu überwachenden Netz 4. Als Sensor-Element dient vorzugsweise eine Rogowski-Spule 46. Deren Signal wird zur weiteren Verarbeitung im Algorithmus von einem AD-Wandler 44 digitalisiert und über numerische Verfahren differenziert durch einen Differenzierer 50 (z.B. über Rückwärtsdifferenzenbildung, zentralen Differenzenquotient oder auch analog).

Figure 00140001
und integriert durch einen Integrierer 48 (z. B. über Anwendung der Trapezregel)
Figure 00140002
7 shows a schematic structure of an apparatus for performing the method according to the invention on a network to be monitored 4 , As a sensor element is preferably a Rogowski coil 46 , Their signal is for further processing in the algorithm of an AD converter 44 digitized and differentiated by numerical methods by a differentiator 50 (eg via backward difference formation, central difference quotient or analog).
Figure 00140001
and integrated by an integrator 48 (eg via application of the trapezoidal rule)
Figure 00140002

Um einen Vergleich der zeitlich zusammengehörigen Werte von Strom, Stromsteilheit und 2. Ableitung zu realisieren, wird das Signal der Stromsteilheit über ein Verzögerungsglied 58 jeweils um einen Abtastwert verzögert.In order to realize a comparison of the time-related values of current, current slope and 2nd derivative, the signal of the current gradient is via a delay element 58 each delayed by one sample.

Ein Eingangsfilter 56 verhindert Fehlauslösungen hervorgerufen durch Harmonische im Stromsignal, welche im Bereich gültiger EMV-Normen (DIN EN 61000-3-2 und E DIN VDE 0838-2) liegen. Hierdurch wird der Einsatzbereich des Algorithmus, insbesondere für einen Einsatz in industriellen Netzen (z.B. Um-/Wechselrichter gespeiste Lasten), deutlich erweitert.An input filter 56 prevents false tripping caused by harmonics in the current signal, which are within the range of valid EMC standards (DIN EN 61000-3-2 and E DIN VDE 0838-2). As a result, the range of application of the algorithm, especially for use in industrial networks (eg Um- / inverter-powered loads), significantly expanded.

Anschließend werden die Signale dem in 8 gezeigten Algorithmus zur Auswertung in einer Auswerteeinheit 60 zugeführt. In diesem erfolgt eine simultane Abarbeitung der drei Kurzschlusserkennungskriterien.Subsequently, the signals are in the 8th shown algorithm for evaluation in an evaluation unit 60 fed. In this there is a simultaneous execution of the three short circuit detection criteria.

8 zeigt ein Ablaufschema für das erfindungsgemäße Verfahren. 8th shows a flow chart for the inventive method.

Über eine Wichtung 30, 32, 34 der einzelnen Kriterien (Ist-Werte 110, 12, 14 für Strom, Stromsteilheit, 2. Ableitung lösen je bei Überschreitung ihres Grenzwertes 16, 18, 20 einen Wichtungsfaktor 30, 32, 34 aus), sollen Fehlauslösungen vermieden werden. Die Wichtung der Signale ist derart gestaltet, dass eine Auslösung einzig durch eine Überschreitung des Grenzwertes 20 der 2. Ableitung nicht möglich ist. Durch die Differentiation verstärkte hochfrequente Störsignale im zu bewertenden Nutzsignal der 2. Ableitung werden durch ein zusätzliches Filter (52) bedämpft. Ein Hochpassfilter kompensiert die bei numerischer Integration des Signals auftretenden Fehler durch Gleichglieder. Das auf diese Weise erzeugte Signal des Strommomentanwertes erfährt die stärkste Wichtung, da sie ein vergleichsweise sicheres Kriterium für einen vorliegenden Kurzschluss ist. Die Wichtung erfolgt als Funktion der Netzkonfiguration bzw. der zu schützenden Verbraucher und Betriebsmittel. Beispielsweise kann eine Wichtung folgendermaßen durchgeführt werden: Stromkriterium × 1, Stromsteilheit × 0,5 und 2. Ableitung × 0,25.About a weighting 30 . 32 . 34 the individual criteria (actual values 110 . 12 . 14 for current, current gradient, 2nd derivative ever solve when exceeding their limit 16 . 18 . 20 a weighting factor 30 . 32 . 34 off), false alarms should be avoided. The weighting of the signals is designed so that a triggering only by exceeding the limit 20 the second derivative is not possible. By the differentiation amplified high-frequency interference in the useful signal of the second derivative to be evaluated by an additional filter ( 52 ) damped. A high-pass filter compensates for the errors due to numerical integration of the signal by means of harmonics. The current instantaneous value signal generated in this way receives the strongest weighting because it is a comparatively safe criterion for a present short circuit. The weighting is done as a function of the network configuration or the consumers and equipment to be protected. For example, a weighting may be performed as follows: current criterion × 1, current slope × 0.5, and 2. derivative × 0.25.

Ein Queue (38) dient zur Zwischenspeicherung und Auswertung der zuletzt erfassten gewichteten Messwerte. Diese werden bei jedem Abtastintervall Δt des A/D-Wandlers um eine Stelle weiter durchgeschoben, so dass alte Werte wieder herausfallen. Überschreitet der Inhalt des Queues 38 einen festgelegten Grenzwert 42, so führt dies zu einer Auslösung 22 des Schutzgerätes.A queue ( 38 ) is used for intermediate storage and evaluation of the last recorded weighted measured values. These are pushed through one digit at each sampling interval Δt of the A / D converter, so that old values fall out again. Exceeds the content of the queue 38 a set limit 42 , this leads to a triggering 22 of the protective device.

Da elektrische Netze, insbesondere in der Niederspannung, sich nicht durch ein rein ohmsch-induktives Netz abbilden lassen, wurde über einen einstellbaren Ansprechwert 28 des unverzögerten Kurzschlussauslösers eine Anpassung des Kriteriums (Grenzwerte 16, 18, 20) an Einschaltvorgänge von Maschinen, Transformatoren (Inrush-Ströme) und Leitungen sowie kapazitive Lasten (z. B. Kompensationsanlagen) realisiert. Über diesen Ansprechwert 28 werden die Ansprechgrenzen der drei einzelnen Kriterien entsprechend des Einstellwertes definiert. Für ohmsch-induktive Kreise entspricht ist dieser Ansprechwert Ii = 2. Für andere Verbraucher z. B. Maschinen mit hohen Einschaltströmen ist der Ansprechwert entsprechend zu wählen.Since electrical networks, especially in the low voltage, can not be represented by a purely resistive-inductive network, has an adjustable response value 28 the instantaneous short-circuit release an adjustment of the criterion (limits 16 . 18 . 20 ) at switch-on processes of machines, transformers (inrush currents) and lines as well as capacitive loads (eg compensation systems). About this threshold 28 the response limits of the three individual criteria are defined according to the setting value. For ohmic-inductive circuits, this response value corresponds to I i = 2. For other consumers z. B. Machines with high inrush currents, the response value should be selected accordingly.

Das Verfahren ist daher neben dem gesamten Spektrum Ohmschinduktiver Netze auch an Maschinen und Transformatoranläufe sowie an das Schalten kapazitiver Lasten, z.B. Kompensationsanlagen, anpassbar und bietet somit einen erweiterten Einsatzbereich.The The method is therefore Ohmschinduktive in addition to the entire spectrum Networks also on machines and transformer starts as well as switching capacitive Loads, e.g. Compensation systems, customizable, thus offering a extended application area.

22
ErsatzschaltbildEquivalent circuit
44
Netznetwork
1010
Ist-Wert (Stromstärke)Actual value (Current value)
1212
Ist-Wert (1. Ableitung)Actual value (1st derivative)
1414
Ist-Wert (2. Ableitung)Actual value (2nd derivative)
1616
Grenzwert (Stromstärke)limit (Current value)
1818
Grenzwert (1. Ableitung)limit (1st derivative)
2020
Grenzwert (2. Ableitung)limit (2nd derivative)
2222
Kurzschlussshort circuit
24, 2624 26
Ortskurvelocus
2828
Ansprechwertpickup
30, 32, 3430 32, 34
WichtungsfaktorWeighting factor
3838
Warteschlangequeue
4040
Summenwerttotal value
4242
Grenzwertlimit
4444
A/D-WandlerA / D converter
4646
Rogowski-SpuleRogowski coil
4848
Integriererintegrator
5050
Differenziererdifferentiator
5252
Tiefpasslowpass
5454
Hochpasshighpass
5656
Eingangsfilterinput filter
5858
Verzögerungsglieddelay
6060
Auswerteeinheitevaluation
100100
Stromelectricity
102102
1. Ableitung1. derivation
104, 106104 106
2. AbleitungSecond derivation
120, 122, 124120 122, 124
Quadercuboid
Δt.delta.t
Intervallinterval
RR
ResitanzResitanz
LL
Induktivitätinductance

Claims (24)

Verfahren zur Kurzschlussfrüherkennung in elektrischen Netzen, bei dem: – ein erster (10), zweiter (12) und dritter (14) Istwert als die im Netz fließende Stromstärke, sowie deren erste und zweite zeitliche Ableitung ermittelt werden, – anhand eines Ortskurvenkriteriums ein jeweiliger Grenzwert (16, 18, 20) für den jeweiligen Istwert (10, 12, 14) ermittelt wird, – bei Überschreitung mindestens eines der jeweiligen Grenzwerte durch den jeweiligen Istwert ein Kurzschluss (22) erkannt wird.Method for short-circuit detection in electrical networks, in which: - a first ( 10 ), second ( 12 ) and third ( 14 ) Actual value is determined as the current flowing in the network, as well as their first and second time derivative, - Based on a locus criterion a respective limit ( 16 . 18 . 20 ) for the respective actual value ( 10 . 12 . 14 ) is determined, - if at least one of the respective limit values is exceeded by the respective actual value, a short circuit ( 22 ) is recognized. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der jeweilige Grenzwert (16, 18, 20) durch – theoretische Ableitungen aus einem Modell (22) des elektrischen Netzes, und/oder – numerische Simulation des elektrischen Netzes, und/oder – Überlagerung von Ortskurven (24, 26) für vorgebbare Leistungsfaktor- und Schaltwinkelbereiche des elektrischen Netzes, ermittelt wird.Method according to Claim 1, in which the respective limit value ( 16 . 18 . 20 ) by - theoretical derivations from a model ( 22 ) of the electrical network, and / or - numerical simulation of the electrical network, and / or - superposition of loci ( 24 . 26 ) for predeterminable power factor and switching angle ranges of the electrical network. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der jeweilige Grenzwert (16, 18, 20) durch Multiplikation mit einem vorgebbaren Ansprechwert (28) ermittelt wird.Method according to Claim 1 or 2, in which the respective limit value ( 16 . 18 . 20 ) by multiplication with a predefinable response value ( 28 ) is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Überschreitung eines jeweiligen Grenzwertes (16, 18, 20) einen Wichtungsfaktor (30, 32, 34) aktiviert, und ein Kurzschluss erst erkannt wird, wenn die Summe der Wichtungsfaktoren (30, 32, 34) über einem vorgebbaren Grenzwert liegt.Method according to one of the preceding claims, in which the exceeding of a respective limit value ( 16 . 18 . 20 ) a weighting factor ( 30 . 32 . 34 ), and a short circuit is not recognized until the sum of the weighting factors ( 30 . 32 . 34 ) is above a predefinable limit. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Kurzschluss (22) erst dann erkannt wird, wenn mindestens einer der jeweiligen Grenzwerte (16, 18, 20) an mehreren einander folgenden Zeitpunkten (Δt) überschritten ist.Method according to one of the preceding claims, in which a short circuit ( 22 ) is recognized only when at least one of the respective limit values ( 16 . 18 . 20 ) is exceeded at several consecutive times (Δt). Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die überschrittenen Grenzwerte (16, 18, 20) einander folgender Zeitpunkte (Δt) in einer Warteschlange (38) gespeichert werden, und ein Kurzschluss (22) erst dann erkannt wird, wenn der Summenwert (40) aller Grenzwerte (16, 18, 20) der Warteschlange (38) über einem Grenzwert (42) liegt.Method according to Claim 5, in which the exceeded limit values ( 16 . 18 . 20 ) of successive times (Δt) in a queue ( 38 ) and a short circuit ( 22 ) is recognized only when the sum value ( 40 ) of all limits ( 16 . 18 . 20 ) the queue ( 38 ) above a threshold ( 42 ) lies. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Ableitung der Stromstärke im elektrischen Netz durch eine Rogowski-Spule (46) ermittelt wird, und die momentane Stromstärke durch Integration (48), und die zweite Ableitung durch Differentiation (50) aus dieser ermittelt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the first derivative of the current intensity in the electrical network by a Rogowski coil ( 46 ) and the instantaneous current through integration ( 48 ), and the second derivative by differentiation ( 50 ) are determined from this. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Differentiation (50) und/oder die Integration (48) analog erfolgt.Method according to Claim 7, in which the differentiation ( 50 ) and / or integration ( 48 ) takes place analogously. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Differentiation (50) und/oder die Integration (48) nach einer A/D-Wandlung numerisch erfolgt.Method according to Claim 7, in which the differentiation ( 50 ) and / or integration ( 48 ) is performed numerically after an A / D conversion. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die erste Ableitung des Stromes um ein Abtastintervall (Δt) des A-D-Wandlers (44) zeitverzögert wird.Method according to Claim 9, in which the first derivative of the current is a sampling interval (Δt) of the AD converter ( 44 ) is delayed. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem der Differentiation (50) eine Tiefpassfilterung (52) und/oder der Integration (48) eine Hochpassfilterung (54) vorausgeht.Method according to one of Claims 7 to 10, in which the differentiation ( 50 ) a low-pass filtering ( 52 ) and / or integration ( 48 ) a high-pass filtering ( 54 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem der Rogowski-Spule (46) ein Eingangsfilter (56) nachgeschaltet ist.Method according to one of claims 7 to 11, wherein the Rogowski coil ( 46 ) an input filter ( 56 ) is connected downstream. Vorrichtung zur Kurzschlussfrüherkennung in einem elektrischen Netz (4), mit: – einer Ermittlungseinheit (60) zur Ermittlung eines ersten, zweiten und dritten Istwertes (10, 12, 14) als die im Netz (4) fließende Stromstärke, sowie deren erste und zweite zeitliche Ableitung, – und zur Ermittlung eines jeweiligen Grenzwertes (16, 18, 20) für den jeweiligen Istwert (10, 12, 14) anhand eines Ortskurvenkriteriums, – und einer Auswerteeinheit (60) zur Erkennung eines Kurzschlusses bei Überschreitung mindestens eines der jeweiligen Grenzwerte (16, 18, 20) durch den jeweiligen Istwert (10, 12, 14).Short-circuit detection device in an electrical network ( 4 ), comprising: - a determination unit ( 60 ) for determining a first, second and third actual value ( 10 . 12 . 14 ) than those in the network ( 4 ) flowing current, and their first and second time derivative, - and to determine a respective limit ( 16 . 18 . 20 ) for the respective actual value ( 10 . 12 . 14 ) using a locus criterion, - and an evaluation unit ( 60 ) for detecting a short-circuit when at least one of the respective limit values ( 16 . 18 . 20 ) by the respective actual value ( 10 . 12 . 14 ). Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Ermittlungseinheit (60) eine Ermittlungseinheit zur Ermittlung des jeweiligen Grenzwertes (16, 18, 20) durch – theoretische Ableitungen aus einem Modell des elektrischen Netzes (2), und/oder – numerische Simulation des elektrischen Netzes (2), und/oder – Überlagerung von Ortskurven (24, 26) für vorgebbare Leistungsfaktor- und Schaltwinkelbereiche des elektrischen Netzes (2), ist.Apparatus according to claim 13, wherein the determining unit ( 60 ) a determination unit for determining the respective limit value ( 16 . 18 . 20 ) by - theoretical derivations from a model of the electrical network ( 2 ), and / or - numerical simulation of the electrical network ( 2 ), and / or - superposition of loci ( 24 . 26 ) for specifiable power factor and switching angle ranges of the electrical network ( 2 ) is. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Ermittlungseinheit (60) einen Eingang für einen vorgebbaren Ansprechwert (28) zur Multiplikation mit dem jeweilige Grenzwert (16, 18, 20) aufweist.Apparatus according to claim 13 or 14, wherein the determining unit ( 60 ) an input for a predefinable response value ( 28 ) for multiplication by the respective limit value ( 16 . 18 . 20 ) having. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die Auswerteeinheit (60) derart gebildet ist, dass die Überschreitung eines jeweiligen Grenzwertes (16, 18, 20) einen Wichtungsfaktor (30, 32, 34) aktiviert, und ein Kurzschluss erst erkannt wird, wenn die Summe der Wichtungsfaktoren (30, 32, 34) über einem vorgebbaren Grenzwert liegt.Device according to one of Claims 13 to 15, in which the evaluation unit ( 60 ) is formed in such a way that the exceeding of a respective limit value ( 16 . 18 . 20 ) a weighting factor ( 30 . 32 . 34 ), and a short circuit is not recognized until the sum of the weighting factors ( 30 . 32 . 34 ) is above a predefinable limit. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der die Auswerteeinheit (60) derart gebildet ist, dass ein Kurzschluss erst dann erkannt wird, wenn mindestens einer der jeweiligen Grenzwerte (16, 18, 20) an mehreren einander folgenden Zeitpunkten (Δt) überschritten ist.Device according to one of Claims 13 to 16, in which the evaluation unit ( 60 ) is formed in such a way that a short circuit is not recognized until at least one of the respective limit values ( 16 . 18 . 20 ) is exceeded at several consecutive times (Δt). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Auswerteeinheit (60) eine Warteschlange (38) zur Speicherung von überschrittenen Grenzwerten einander folgender Zeitpunkte enthält, wobei die Auswerteeinheit (60) derart ausgebildet ist, dass ein Kurzschluss erst dann erkannt wird, wenn der Summenwert aller Grenzwerte der Warteschlange über einem Grenzwert (42) liegt.Device according to one of claims 13 to 17, wherein the evaluation unit ( 60 ) a queue ( 38 ) for storing exceeded limit values of successive points in time, wherein the evaluation unit ( 60 ) is designed in such a way that a short circuit is only recognized when the sum value of all limit values of the queue exceeds a limit value ( 42 ) lies. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, mit einer Rogowski-Spule (46) zur Ermittlung der ersten Ableitung der Stromstärke im elektrischen Netz, und mit einem Integrierer (48) zur Bildung der momentanen Stromstärke durch Integration, und einem Differenzierer (50) zur Bildung der zweiten Ableitung durch Differentiation aus der ersten Ableitung der Stromstärke.Device according to one of claims 13 to 18, with a Rogowski coil ( 46 ) for determining the first derivative of the current intensity in the electrical network, and with an integrator ( 48 ) to form the instantaneous current through integration, and a differentiator ( 50 ) to form the second derivative by differentiation from the first derivative of the current. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei dem der Differenzierer und/oder der Integrierer analog arbeitet.Apparatus according to claim 19, wherein the differentiator and / or the integrator works analogously. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei dem der Differenzierer und/oder der Integrierer numerisch arbeitet einem und einem A-D-Wandler (44) nachgeschaltet ist.Device according to Claim 19, in which the differentiator and / or the integrator operates numerically one and one AD converter ( 44 ) is connected downstream. Vorrichtung nach Anspruch 21, mit einem Verzögerungsglied (58) zur Zeitverzögerung der ersten Ableitung des Stromes um ein Abtastintervall des A-D-Wandlers (44).Device according to Claim 21, having a delay element ( 58 ) at the time delay of the first derivative of the current by one sampling interval of the AD converter ( 44 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, mit einem vorschaltbaren Tiefpassfilter (52) für den Differenzierer und/oder einem vorschaltbaren Hochpassfilter (54) für den Integrierer.Device according to one of Claims 19 to 22, with a forward-connectable low-pass filter ( 52 ) for the differentiator and / or a switchable high-pass filter ( 54 ) for the integrator. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, mit einem der Rogowski-Spule (46) nachschaltbaren Eingangsfilter (56).Device according to one of claims 19 to 23, with one of the Rogowski coil ( 46 ) switchable input filter ( 56 ).
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