DE102014200946C5

DE102014200946C5 - Überlast-Überwachungsvorrichtung und Verfahren zur Überlast-Überwachung

Info

Publication number: DE102014200946C5
Application number: DE102014200946.4A
Authority: DE
Inventors: Werner Schiemann; Ralph Weinmann; Joachim Joos
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: CN105940582B; DE102014200946B4; JP2017506486A; US10527655B2; CN105940582A; US20160356827A1; DE102014200946A1; JP6312177B2; WO2015106869A1

Abstract

Überlast-Überwachungsvorrichtung für ein elektrisches System (2) mit einer Messeinrichtung (6) für Strom und/oder Spannung, wobei die Überlast-Überwachungsvorrichtung eine Zeitmesseinrichtung (7) und eine mit der Messeinrichtung (6) und der Zeitmesseinrichtung (7) verbundene Auswerteeinrichtung (8) umfasst, die eingerichtet ist, aus Messwerten der Messeinrichtung (6) Kenngrößen zu generieren und anhand der Kenngrößen unter Verwendung von Zeitdaten der Zeitmesseinrichtung (7) eine Überlastsituation zu detektieren, wobei ein mit der Auswerteeinrichtung (8) in Verbindung stehendes Trennelement (5) in einer Zuleitung (3) des elektrischen Systems (2) angeordnet ist, welches von der Auswerteeinrichtung (8) bei einer detektierten Überlastsituation zum Auftrennen der Zuleitung (3) aktivierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße mindestens einen Wert aus der Gruppe Anstiegsgeschwindigkeit der Leistung und Mittelwert der Leistung umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überlast-Überwachungsvorrichtung für ein elektrisches System sowie ein Verfahren zur Überlast-Überwachung eines elektrischen Systems.
Stand der Technik
In vielen elektrischen Systemen ist es notwendig, Teile des Systems oder das gesamte System vor elektrischer Überlastung zu schützen. Dazu werden zum Beispiel Schmelzsicherungen in Niederspannungssystemen in vielen Formen eingesetzt. Derartige Sicherungen weisen charakteristische I²t Kennlinien, wie sie in 1 dargestellt sind, oder aber Strom-/Zeit-Kennlinien, wie sie in 2 dargestellt sind, mit kontinuierlichem Verlauf auf. Aus den Kennlinien ist ersichtlich, dass nicht wirklich der Abschaltstrom bzw. dessen Höhe, sondern eine während eines definierten Zeitraumes zugeführte Leistung für die Abschaltung der Sicherung verantwortlich ist.
Die DE 38 42 921 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Stromüberwachung elektrischer Verbraucher mit der eine verzögerungsfreie Stromüberwachung durch Vergleich mit einem dem zulässigen Stromverlauf angepassten, vorgegebenen Grenzwert erfolgt und ein Trennelement bei Überlast geschaltet wird.
Die US 2010 / 0 156 649 A1 offenbart eine Vorrichtung für die Detektion eines Überlastungszustandes eines Verteilungstransformators, welcher der Bereitstellung von Energie an verschiedene Kundengebäude dient. Die Vorrichtung umfasst ein Modem und eine Messeinrichtung, mittels welcher die Ausgangsleistung des Verteilungstransformators erfasst wird sowie einen Controller, welcher zur Kommunikation mit der Messeinrichtung in der Lage ist.
DE 10 2007 006 564 A1 offenbart Leitungsschutzschalter mit Mitteln zum Messen einer der Stromstärke der durch einen Strompfad fließenden Stroms. Mit gemessenen Spannungswerten und Stromwerten kann eine Stromanstiegsgeschwindigkeit dl/dt bei einem aus Spannungswerten bestimmten Phasen bestimmt werden, und daraus kann ermittelt werden, ob es sich um einen Kurzschluss handelt. Das Dokument offenbart jedoch nicht die Verwendung der Leistung als Kenngröße.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Überlast-Überwachungsvorrichtung für ein elektrisches System zur Verfügung gestellt, mit einer Messeinrichtung für Strom und/oder Spannung, wobei die Überlast-Überwachungsvorrichtung eine Zeitmesseinrichtung und eine mit der Messeinrichtung und der Zeitmesseinrichtung verbundene Auswerteeinrichtung umfasst, die eingerichtet ist, aus Messwerten der Messeinrichtung Kenngrößen zu generieren und anhand der Messwerte und/oder der Kenngrößen unter Verwendung von Zeitdaten der Zeitmesseinrichtung eine Überlastsituation zu detektieren, wobei ein mit der Auswerteeinrichtung in Verbindung stehendes Trennelement in einer Zuleitung des elektrischen Systems angeordnet ist, welches von der Auswerteeinrichtung bei einer detektierten Überlastsituation zum Auftrennen der Zuleitung aktivierbar ist.
Das elektrische System kann ein zur Energieübertragung verwendetes Leitungsnetz wie eine Zuleitung, die daran angeschlossenen Komponenten wie Verbraucher oder Lasten und/oder Schaltelemente oder Messeinrichtungen umfassen. Um alle, mehrere oder eine einzelne dieser Komponenten optimal überwachen und auch schützen zu können, schlägt die Erfindung vor, Kenngrößen und/oder Kennlinien der Überlast-Überwachungsvorrichtung an das Verhalten des Verbrauchers und/oder die Möglichkeiten des Energieübertragungsnetzes anzupassen. Dies erlaubt einen optimalen Schutz des elektrischen Systems. Besonders vorteilig erlaubt die Erfindung eine Überwachung und/oder Abschaltung, die auf frei definierbaren und optional auch zeitlich veränderbaren Kenngrößen basiert, wobei die Kenngrößen nicht von der Geometrie der Schutzeinrichtung wie einer Sicherung abhängig sind, sondern für das zu überwachende elektrische System optimiert sind.
Vorteilhafterweise umfasst die Kenngröße mindestens einen Wert aus der Gruppe Strom, Spannung, Leistung, Energie, sowie Anstiegsgeschwindigkeiten, Ableitungen, Integrale und Mittelwerte dieser Größen. Unter Kenngrößen werden beispielsweise die obigen Größen verstanden, dabei kann zum Beispiel aus dem Messwert Strom die Kenngröße Strom werden, indem die zeitliche Auflösung des reinen Messwerts angepasst oder bearbeitet wird oder nur ein bestimmter Zeitpunkt oder ein Zeitintervall betrachtet wird.
Mehrere Kenngrößen können eine Kennlinie oder Abschaltkennlinie bilden, wobei Übergänge der Kennlinie unstetig sein können. Diese Kennlinie definiert die Grenze zwischen einem sicheren Betriebsbereich und einem Überlastungsbereich, so dass bei Erreichen der Kennlinie Schutzmaßnahmen getroffen werden. Der Übergang zwischen Bereichen der Kennlinie kann unstetig sein. Beispielsweise können für unterschiedliche Bereiche, welche zeitlich aufeinander abfolgen können oder Betriebszuständen zugeordnet sein können, unterschiedliche Kenngrößen betrachtet werden. Dadurch kann die Überwachung an die tatsächlichen Gegebenheiten des zu überwachenden Systems modelliert werden.
Das Trennelement, zum Beispiel ein Leistungsschalter wie ein Halbleiterschalter, erlaubt den Übergang von einer reinen Überwachung zu einem Schutz durch Abschaltung von Überströmen und Leistungen.
Auch ist es möglich, dass die Messeinrichtung ausgangsseitig und/oder eingangsseitig des Trennelements angeordnet ist. Je nach Anwendungsfall kann die Position optimiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Halbleiterschalter als Trennelement und als Messeinrichtung derart ausgebildet ist, dass ein Spannungsabfall über den Durchleitwiderstand des Halbleiterschalters gemessen wird. Diese erhöhte Integrationsdichte erlaubt eine Verkleinerung der Überwachungsvorrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überlast-Überwachung eines elektrischen Systems umfasst grundsätzlich folgende Schritte:

- Bestimmen von Messwerten für einen Strom und/oder eine Spannung des elektrischen Systems;
- Bestimmen von Zeitdaten;
- Generieren von Kenngrößen basierend auf den Messwerten;
- Detektieren einer Überlastsituation anhand der Messwerte und/oder der Kenngrößen unter Verwendung der Zeitdaten;
- Auftrennen einer Zuleitung des elektrischen Systems, wenn eine Überlastsituation detektiert wird.

Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben. Die Kenngrößen können unter Verwendung der Zeitdaten generiert werden.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass aus den Kenngrößen eine Abschaltkennlinie ermittelt wird, die mehrere Bereiche mit unterschiedlichen überwachten Messwerten und/oder Kenngrößen aufweist. Die Bereiche erlauben eine optimale Anpassung der Überwachung und/oder Abschaltung an das zu überwachende System.
In die Kenngrößen können zeitliche Veränderungen des elektrischen Systems einfließen. Dies lässt eine dynamische Anpassung der Kennlinie und/oder der Kenngrößen zu. Damit können zum Beispiel zeitliche Änderungen des elektrischen Systems abgefangen werden, ohne dass die Überwachung falsche Schlüsse zieht. Zum Beispiel können so Änderungen über die Lebensdauer wie Verschleiß berücksichtigt werden.
Es können mehrere Kenngrößen zeitlich parallel und/oder für bestimmte Betriebszustände für die Detektion überwacht werden. Dies kann zu einer Überwachungsmatrix und/oder einem Kennlinienfeld führen, was eine mehrdimensionale Überwachung ermöglicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Diagramm mit I²t Kennlinien einer bekannten Sicherung,
2 ein Diagramm mit Strom/Zeit-Kennlinien einer bekannten Sicherung,
3 eine schematische Darstellung einer Überlast-Überwachungsvorrichtung für ein elektrisches System gemäß der Erfindung,
4 ein Diagramm mit mehreren Messwerten beziehungsweise Kenngrößen der Überlast-Überwachungsvorrichtung,
5 ein Diagramm mit weiteren Messwerten beziehungsweise Kenngrößen der Überlast-Überwachungsvorrichtung, und
6 ein Diagramm mit noch weiteren Messwerten beziehungsweise Kenngrößen der Überlast-Überwachungsvorrichtung.

Ausführungsformen der Erfindung
In 3 ist eine Überlast-Überwachungsvorrichtung beziehungsweise eine Überlast-Abschaltvorrichtung 1 für ein elektrisches System 2 dargestellt. Das elektrische System 2 umfasst mindestens eine elektrische Zuleitung 3 sowie einen Verbraucher oder eine Last 4. In der Zuleitung 3 ist ein Trennelement 5 beispielsweise in Form eines Leistungsschalters realisiert. Der Leistungsschalter kann beispielsweise als MOSFET oder als IGBT (insulated-gate bipolar transistor) ausgeführt sein. Speziell kann der Leistungsschalter aus zwei antiseriellen MOSFETs aufgebaut sein.
Das Trennelement 5 kann Bestandteil des elektrischen Systems 2 sein, was bedeutet, dass das Trennelement 5 ebenfalls überwacht wird, und/oder das Trennelement 5 kann Bestandteil der Überlast-Überwachungsvorrichtung 1 sein. Die Überlast-Überwachungsvorrichtung 1 umfasst eine Messeinrichtung 6 für Strom und/oder Spannung an der Zuleitung 3. Die Messeinrichtung ist hier ausgangsseitig des Trennelements 5, das heißt zwischen dem Trennelement 5 und dem Verbraucher 4 dargestellt. Alternativ kann die Messeinrichtung 6 auch eingangsseitig des Trennelements 5 angeordnet sein. Auch ist es möglich, dass zwei Messeinrichtungen 6 vorgesehen sind, wobei dann eine eingangsseitig und die andere ausgangsseitig angeordnet ist.
Des Weiteren umfasst die Überlast-Überwachungsvorrichtung 1 eine Zeitmesseinrichtung 7. Die Zeitmesseinrichtung 7 erlaubt eine absolute und/oder relative Bestimmung von Zeitpunkten und/oder Zeitintervallen.
Eine Auswerteeinrichtung 8 der Überlast-Überwachungsvorrichtung 1 ist mit der Messeinrichtung 6 verbunden, um Messwerte der Messeinrichtung 6 zu übernehmen. Weiter ist die Auswerteeinrichtung 8 mit der Zeitmesseinrichtung 7 verbunden, um Zeitinformationen zu übernehmen. Darüber hinaus ist die Auswerteeinrichtung 8 mit dem Trennelement 5 verbunden, um dieses zu steuern. Die Zeitmesseinrichtung 7 kann in der Auswerteeinrichtung 8 integriert sein. Insbesondere kann eine Integration in einem ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung, englisch application-specific integrated circuit) oder Mikrocontroller vorgesehen sein.
Die Auswerteeinrichtung 8 ist eingerichtet, aus den Messwerten der Messeinrichtung 6, Kenngrößen zu generieren. So kann beispielsweise aus einem Strommesswert der Messeinrichtung 6 in der Auswerteeinrichtung 8 die Leistung, die Ableitung und/oder ein Integral des Stromes berechnet werden. Darüber hinaus können Kenngrößen des Messwertes unter Berücksichtigung eines Zeitraums oder Zeitpunkts berechnet werden, wobei die Zeitinformationen aus der Zeitmesseinrichtung 7 stammen. So können beispielsweise aus einem Strom-Messwert mittlere Leistungen über verschiedene Zeiträume berechnet werden.
Aus den Kenngrößen kann die Auswerteeinrichtung 8 Kennlinien oder Abschaltkennlinien bestimmen. Die Abschaltkennlinienform kann unter anderem durch die Auswertung eines Optimalfilters des Stromes und/oder der Leistung bestimmt werden. Ein Optimalfilter ist ein Filter, welches das Signal-RauschVerhältnis (engl. signal to noise ratio, SNR) optimiert. Die Abschaltkennlinienform kann auch durch die Auswertung mehrerer Optimalfilter beziehungsweise. zeitlich veränderlicher Optimalfilter des Stromes und/oder der Leistung bestimmt werden.
Im Folgenden wird die Überwachung beziehungsweise Abschaltung von Überströmen und Leistungen anhand der 4 bis 6 näher beschrieben.
4 zeigt ein Diagramm mit mehreren Kennlinien eines elektrischen Systems 2 mit hohem kapazitivem Anteil wie zum Beispiel einer Glühlampe. Die Kennlinien sind gegenüber der Zeit aufgetragen. Die oberste Kennlinie A entspricht dem gemessenen Strom, die zweitoberste Kennlinie B entspricht der Leistung, die dritte Kennlinie C entspricht der mittleren Leistung über drei Takte, die vierte Kennlinie D entspricht der mittleren Leistung über fünf Takte, die fünfte Kennlinie E entspricht der mittleren Leistung über zehn Takte und die letzte Kennlinie F entspricht der mittleren Leistung über zwanzig Takte.
Nach Abklingen des Einschaltstromes, was bei etwa 0,6 Millisekunden (ms) der Fall ist, wird der Verbraucher getaktet betrieben. In diesem Beispiel ist ein Fehlerfall oder Überlastungsfall bei etwa 1,8 Millisekunden (ms) vorhanden. Weder über den Absolutwert des Stromes (Kennlinie A) noch über die momentane Leistung (Kennlinie B) oder die mittleren Leistungen über drei, fünf und zehn Takten (Kennlinien C, D, E) ist der Fehler erkennbar. Erst die integrale Auswertung der Leistung über den Zeitraum von zwanzig Takten macht die Überlastung sichtbar oder über einen Schwellwert beziehungsweise eine Kennlinie auswertbar (Kennlinie F). Hier in diesem Fall, wo beispielsweise eine Leitung eingesetzt wurde, die auf den Mittelwert des Stromes ausgelegt ist, kann es durch ungünstige Wahl des Puls-Pausen-Verhältnisses zu einer Überlastung der Leitung kommen. Wird nur der Messwert betrachtet, das heißt der eigentliche Stromverlauf, so wird diese Überlastung nicht detektiert. Erst durch einen angepassten Mittelwertbildner für die Leistung (Kennlinie F) kann der Überlastfall detektiert werden. Bei detektiertem Überlastfall aktiviert die Auswerteeinrichtung 8 das Trennelement 5, so dass der Verbraucher oder die Last 4 von der Zuleitung 3 abgeschaltet ist.
5 zeigt im Vergleich wiederum sechs Kennlinien A bis F für ein weiteres elektrisches System 2 mit hohem induktiven Anteil. Hier ist der langsame Anstieg des Stromes (Kennlinie A) sowie der Leistung (Kennlinie B) erkennbar. Die Kennlinie C zeigt die zeitliche Ableitung der über zwanzig Takte gemittelten Leistung, während die Kennlinie D die mittlere Leistung über fünf Takte, die Kennlinie E die mittlere Leistung über 10 Takte und die Kennlinie F die über zwanzig Takte gemittelte Leistung darstellen. Für den in den Kennlinien A bis F von 5 dargestellten Betriebsbereich oder Zeitabschnitt liegen keine Fehler oder Überlastungen vor. Die hier gezeigten Kennlinien können damit beispielsweise als Referenzkennlinien eingesetzt werden.
In 6 sind Diagramme analog zu den Diagrammen von 5 dargestellt. Die Kennlinien A bis F zeigen nun ein verändertes Einschaltverhalten, was beispielsweise durch einen Kurzschluss innerhalb der Zuleitung zum Verbraucher hervorgerufen worden ist. Abhängig von der verbliebenen Leitungslänge und damit der Leitungsinduktivität stellt sich jetzt ein schneller Stromanstieg und ein maximaler Strom ein. In diesem gezeigten Beispiel sind weder der maximale Strom (Kennlinie A) noch die maximale Leistung (Kennlinie B) oder die gemittelten Leistungen (Kennlinien D, E, F) ein eindeutiges Indiz für einen Überlastungsfall. Erst die Strom- beziehungsweise Leistungsanstiegsgeschwindigkeit (Kennlinie C), in diesem Fall die Ableitung der mittleren Leistung über zwanzig Takte, liefert ein ausreichendes Abschaltkriterium für eine sichere und ausreichend schnelle Abschaltforderung.
Wie oben beschrieben, werden die Messungen der Messeinrichtungen 6 zeitaufgelöst betrachtet und die Wahl der Auswertungsmethode der Messgröße beziehungsweise die Wahl der aus der Messgröße abgeleiteten Kenngröße wird an das zu überwachende elektrische System 2 angepasst. Zudem können unterschiedliche Bereiche oder Teilabschnitte, zum Beispiel für einen Einschaltvorgang, den laufenden Betrieb oder einen Ausschaltvorgang definiert werden. Auch ist es möglich, die Kenngrößen oder die Kennlinien für verschiedene Komponenten des zu überwachenden elektrischen Systems 2 zu optimieren. So kann es zum Beispiel erforderlich oder wünschenswert sein, zu einem ersten Zeitpunkt den Schalter beziehungsweise das Trennelement 5 zu schützen, was optimalerweise durch eine Auswertung von Strom und Spannung geschieht. Zu einem zweiten Zeitpunkt kann es wichtig sein, dass die Zuleitung 3 geschützt wird, was vorteilhafterweise durch eine Überwachung von Strom und Zeit geschieht. Parallel zu den ersten beiden Zeitpunkten oder auch zu einem dritten Zeitpunkt oder Zeitbereich kann es wichtig sein, dass der Verbraucher 4 des elektrischen Systems überwacht wird. Dies geschieht optimalerweise durch eine Überwachung von Kenngrößen, die auf der Spannung, dem Strom und der Zeit basieren.

Claims

Überlast-Überwachungsvorrichtung für ein elektrisches System (2) mit einer Messeinrichtung (6) für Strom und/oder Spannung, wobei die Überlast-Überwachungsvorrichtung eine Zeitmesseinrichtung (7) und eine mit der Messeinrichtung (6) und der Zeitmesseinrichtung (7) verbundene Auswerteeinrichtung (8) umfasst, die eingerichtet ist, aus Messwerten der Messeinrichtung (6) Kenngrößen zu generieren und anhand der Kenngrößen unter Verwendung von Zeitdaten der Zeitmesseinrichtung (7) eine Überlastsituation zu detektieren, wobei ein mit der Auswerteeinrichtung (8) in Verbindung stehendes Trennelement (5) in einer Zuleitung (3) des elektrischen Systems (2) angeordnet ist, welches von der Auswerteeinrichtung (8) bei einer detektierten Überlastsituation zum Auftrennen der Zuleitung (3) aktivierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße mindestens einen Wert aus der Gruppe Anstiegsgeschwindigkeit der Leistung und Mittelwert der Leistung umfasst.
Überlast-Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kenngröße mindestens einen Wert aus der Gruppe Leistung, Energie und Mittelwerte der Größen umfasst.
Überlast-Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehrere Kenngrößen eine Kennlinie bilden, wobei Übergänge der Kennlinie unstetig sein können.
Überlast-Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (6) ausgangsseitig und/oder eingangsseitig des Trennelements (5) angeordnet ist.
Überlast-Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei ein Halbleiterschalter als Trennelement (5) und als Messeinrichtung (6) derart gebildet ist, dass ein Spannungsabfall über den Durchleitwiderstand des Halbleiterschalters gemessen wird.
Verfahren zur Überlast-Überwachung eines elektrischen Systems (2) mit den Schritten: - Bestimmen von Messwerten für einen Strom und/ oder eine Spannung des elektrischen Systems; - Bestimmen von Zeitdaten; - Generieren von Kenngrößen basierend auf den Messwerten; - Detektieren einer Überlastsituation anhand der Kenngrößen unter Verwendung der Zeitdaten; - Auftrennen einer Zuleitung des elektrischen Systems (2), wenn eine Überlastsituation detektiert wird, wobei die Kenngröße mindestens einen Wert aus der Gruppe Anstiegsgeschwindigkeit der Leistung und Mittelwert der Leistung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei aus den Kenngrößen eine Abschaltkennlinie ermittelt wird, die mehrere Bereiche mit unterschiedlichen überwachten Messwerten und/oder Kenngrößen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei in die Kenngrößen zeitliche Veränderungen des elektrischen Systems einfließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei mehrere Kenngrößen zeitlich parallel und/ oder für bestimmte Betriebszustände für die Detektion überwacht werden.