DE102004056436A1

DE102004056436A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Fehlerstrom-Lichtbögen in elektrischen Stromkreisen

Info

Publication number: DE102004056436A1
Application number: DE102004056436A
Authority: DE
Inventors: Boris Banke; Hans-Hermann Petersen
Original assignee: ESW Extel Systems Wedel Gesellschaft fuer Ausruestung mbH
Current assignee: Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-11-20
Also published as: CA2527086C; GB2421372B; US20060109009A1; FR2878380B1; FR2878380A1; US7219023B2; CA2527086A1; GB2421372A; GB0523188D0; DE102004056436B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Fehlerstrom-Lichtbögen in elektrischen Stromkreisen für Verbraucher mit relativ konstanter Leistungsaufnahme, insbesondere in Flugzeugbordnetzen. DOLLAR A Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur Erkennung von Lichtbögen in elektrischen Leitungen von Verbrauchern mit relativ konstanter Leistungsaufnahme zu finden, die insbesondere die Fehlauslösung der Schutzmaßnahmen deutlich reduziert, ohne die Zuverlässigkeit der Abschaltung bei tatsächlichem Auftreten von Lichtbögen zu beeinträchtigen, wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein Spannungswert gleichzeitig zur Strommessung gemessen, ein Verhältnis aus den parallel erfassten Strom- und Spannungsmesswerten gebildet und ein Indikatorsignal für einen erkannten Lichtbogen erzeugt wird, wenn Änderungen des Verhältnisses aus Strom- und Spannungsmesswerten über vorbestimmte Schwellwerte hinaus auftreten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Fehlerstrom-Lichtbögen in elektrischen Stromkreisen für Verbraucher mit relativ konstanter Leistungsaufnahme, insbesondere für angeschlossene Heizelemente. Die Erfindung wird angewendet zur frühzeitigen Erkennung von Lichtbögen infolge von Isolationsmängeln, die in beliebigen Spannungsnetzen mit beliebiger Netzfrequenz, insbesondere jedoch in Flugzeugbordnetzen, durch hohe mechanische, chemische, elektrische und/oder thermische Beanspruchung entstehen.
Fehlerstrom-Lichtbögen, die in der englischsprachigen Fachliteratur als „Arc Tracking" bezeichnet werden, sind vor allem in der Verkabelung von Luftfahrzeugen aus Sicherheitsgründen besonders gefährlich.
Das typische Erscheinungsbild besteht darin, dass an der Verdrahtung von elektrischen Verbrauchern, insbesondere von Heizgeräten, Isolationsfehler durch Vorschädigung (Penetration, z.B. durch mechanische, chemische und/oder thermische Wechselbelastung) auftreten, die Ausgangspunkt eines Lichtbogenfeuers werden und oft einen gesamten Kabel- und Verbraucherbereich zerstören.
Häufig entstehen dabei anfänglich hochohmige Nebenschlüsse (Kriechströme), die – meist unterstützt durch elektrolytisch wirkende Flüssigkeiten – zu so genanntem „Wet Arc Tracking" führen, im weiteren Zeitverlauf immer niederohmiger werden und schließlich hochenergetische Kurzschlusslichtbögen ergeben. Problematisch ist dabei, dass die Umgebung durch einen so ausgelösten Kabelbrand sehr stark in Mitleidenschaft gezogen wird und explosionsähnliche Folgefehler die Ursache für katastrophale Luftfahrtunfälle sein können.
Alternativ ist kann auch das Fehlerbild eines sogenannten „Dry Arc Tracking" auftreten, das (z.B. durch Scheuerstellen des Kabels auf scharfen Kanten) plötzlich niederohmige Nebenschlüsse (Kurzschlüsse) verursacht, die zum gleichen katastrophalen Ereignis führen können.
Bei der Entwicklung von Schutzmaßnahmen im Bereich der Steuerung einer stromintensiven Last (z.B. eines Durchlaufheizers) ist vor allem das Problem zu verzeichnen, dass die anfänglichen Ströme von Fehlerstrom-Lichtbögen (nachfolgend nur noch kurz Lichtbögen) sehr klein gegenüber den Nennströmen der verwendeten Last sein können. In Versuchen, bei denen der Fehlerstrom eines Lichtbogens anfänglich einen Wert von l_eff < 50 mA bei 3,5 A Nennstrom aufwies, zeigte sich, dass der Fehlerstrom im Verlauf des Experiments in kurzer Zeit erheblich höhere Stromwerte erreichte.
Andererseits muss bei der Früherkennung fehlerhafter Lichtbögen aber auch beachtet werden, dass die Verfügbarkeit von Luftfahrtgeräten und -systemen sehr wichtig ist und es deshalb nicht zu Fehlauslösungen der Schutzmaßnahme kommen darf.
Es gibt diverse Veröffentlichungen, die sich insbesondere mit dieser Thematik in der Luft- und Raumfahrt beschäftigen. Bislang konnten jedoch keine zufriedenstellenden Lösungen gefunden werden. Einhellig ist jedoch das Besteben, eine Schutzmaßnahme zu entwickeln, die vor dem herkömmlichen Überstromschutz (der mitunter erst nach einem bereits ausgelösten Kabelbrand den Strom unterbricht) das Auftreten von Lichtbögen erkennt und den geschädigten Laststromkreis bereits vor dem tatsächlichen Kurzschluss und Entstehen eines größeren Schadens abschaltet.

So ist in der WO 01/90767 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von so genannten „Störlichtbögen" (Arc Tracking) beschrieben, bei denen ein Wechselstromsignal in einem Kabel zeitdiskret abgetastet und anhand des diskreten Stromsignals durch Interpolation einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten in eine Wechselstrom-Winkelfunktion gewandelt wird, wobei aus einem Vergleich der so ermittelten aktuellen Wechselstromfrequenz mit einer Soll-Frequenz auf einen Kriechstrombogen geschlossen wird. Störungen durch Einschaltvorgänge anderer Verbraucher werden dadurch unterschieden, dass deren Abklingverhalten eine unterschiedliches Frequenzbild zeigt.

Nachteilig sind die Signalinterpolation des Frequenzverhaltens, die – um schnell zu sein – nur auf wenige Werte der Strommessung gestützt werden kann, sowie die Ähnlichkeiten zu Störungen bei häufigen Einschaltvorgängen an der Versorgungsspannung, die immer noch eine relativ hohe Gefahr von Fehlauslösungen der Schutzmaßnahme in sich bergen. Außerdem ist der Aufwand an Signalaufbereitung relativ hoch, leicht fehlerbehaftet und überhaupt nur für Wechselstromnetze mit bekannter und konstanter Netzfrequenz sinnvoll einsetzbar.

In der DE 199 53 354 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Kriechstrom-Lichtbögen, insbesondere für Hausstromkreise offenbart, die einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC) auf Basis einer Strommessung und Korrelation des aktuellen Stromsignals mit einem rauschbefreiten Wechselstromsignalabschnitt aufweist, um aus der Korrelationsabweichung auf Kriechstrom-Lichtbögen zu schließen und den Stromkreis zu unterbrechen. Die Filterung zur Entfernung des Rauschanteils erfolgt dabei mit digitaler Signalverarbeitung unter Verwendung einer Standard-Prozessoreinheit (CPU). Ob Störungen durch Einschaltvorgänge anderer Verbraucher von denen durch Lichtbögen sicher unterschieden werden können, ist zumindest zweifelhaft, so dass Fehlauslösungen der Schutzschaltung nicht ausgeschlossen werden können.

Ein etwas anderer Weg wird bei der Lösung gemäß der DE 698 13 842 T2 beschritten, indem der Strom in Leitungssträngen eines Hausverteilersystems mittels eines Transformators überwacht und die Änderungsrate des Stroms dl/dt beobachtet wird. Über denselben Transformator wird ein Testsignal eingespeist, das ein durch einen Signalgenerator simuliertes Kriechstrom-Lichtbogen-Signal darstellt. Im Ergebnis eines Vergleichs der Signaländerungen werden Überschreitungen eines Schwellwerts gezählt und ab einer bestimmten Anzahl zur Auslösung eines Unterbrechersignals verwendet.

Ebenfalls über einen Transformator wird in der US 2002/0149891 A1 ein Detektionssignal für Lichtbögen aufgenommen, die dann über unterschiedliche Filterwege analysiert werden. Die durchlaufende Wellenform wird dabei als Spannung von der Sekundärspule des Transformators abgenommen und in zwei Filterwege aufteilt. Im ersten Filterzweig wird der Wechselstromfrequenzanteil und im zweiten Filterzweig der Hochfrequenzanteil des Transformatorausgangs vom Eingangssignal abgetrennt, wobei der Hochfrequenzanteil aussagekräftig für vorhandene Kriechstromlichtbögen ist. Dazu werden die Signale beider Filterwege nach einer Zweistufenfilterung gleichgerichtet und jeweils in Spitzen- und Durchschnittssignalwert unterteilt, wobei besonders hohe Spitzenwerte in einem der beiden Filterzweige zur sofortigen Auslösung der Schutzschaltung führen.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass es nur für Wechselstromnetze geeignet ist und zudem eine relativ niedriger Netzfrequenz voraussetzt. Die analoge Verarbeitung in den Filterwegen ist aufwendig und relativ störsignalanfällig, so dass Fehlauslösungen der Schutzschaltung nicht sicher ausgeschlossen werden können.

Eine Lösung die speziell für Flugzeuge und auch für die dort spezifischen 400 Hz-Netze konzipiert ist, wird in der DE 100 17 238 A1 (analog US 6,625,550 B1 ; US 6,782,329 B1 ) offenbart. Dort wird die Schutzschaltungsauslösung nach einer speziellen „Stromsignatur" der meist sehr spezifischen (nahezu genormten) Verbraucher in einem Flugzeug ausgelöst, wobei als Eingangssignal eine Änderungsrate eines stromkreis-charakteristischen Signals beobachtet wird und nach Signalverarbeitungsschritten in einem ASIC mittels eines Mikroprozessors eine Selektion von verbrauchertypischen Signalcharakteristika ausgefiltert wird, so dass nur „Stromsignaturen" des überwachten Stromkreises, die denen von Kriechstrom-Lichtbögen zuzuordnen sind, zur sofortigen Auslösung der Schutzschaltung führen.

Nachteilig erweist sich an dieser Signalverarbeitung, dass die Programmierung von verbraucherspezifischen „Stromsignaturen" den Einsatz eines Prozessors erfordern und der große Anteil an analogen Verarbeitungsschritten (Integrator, Bandpassfilter, Nulldurchgangserkennung der Spannung, Bestimmung des Anteils hoher Frequenzen) die Störanfälligkeit der Detektionsschaltung erhöht.

Allen oben genannten Lösungen ist gemeinsam, dass sie im Wesentlichen jeweils nur eine stromäquivalente Signalgröße des überwachten Laststromkreises auswerten. Dadurch können hochohmige Kriechstrom-Lichtbögen nur schwer erkannt und unnötige, für die Sicherheitsanforderungen in Flugzeugen gefährliche Fehlauslösungen der Schutzmaßnahme nicht zuverlässig ausgeschlossen werden. Außerdem beinhalten die meisten bekannten Lösungen vorwiegend störanfälligere analoge Auswerteschaltungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Erkennung von Fehlerstrom-Lichtbögen in elektrischen Leitungen von Verbrauchern mit relativ konstanter Leistungsaufnahme zu finden, die insbesondere die in Flugzeugen nachteilige Fehlauslösung der Schutzmaßnahmen deutlich reduziert, ohne die Zuverlässigkeit der Abschaltung bei tatsächlichem Auftreten von Lichtbögen zu beeinträchtigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zum Erkennen von Fehlerstrom-Lichtbögen, bei dem in mindestens einer Leitung eines Laststromkreises ein Strom gemessen und unter Verwendung eines gewandelten Strommesswertes ein Überwachungssignal erzeugt wird, wobei durch Überschreitung mindestens einer für das Überwachungssignal definierten Schwelle Lichtbögen erkannt werden, dadurch gelöst, dass ein Spannungswert gleichzeitig zur Strommessung gemessen, dass ein Verhältnis aus den parallel erfassten Strom- und Spannungsmesswerten gebildet und ein Indikatorsignal für einen erkannten Lichtbogen erzeugt wird, wenn Änderungen des Verhältnisses aus Strom- und Spannungsmesswerten über vorbestimmte Schwellwerte hinaus auftreten.

Vorteilhaft wird als Verhältnis aus Strom- und Spannungsmesswerten der Widerstandswert des Laststromkreises gebildet. Es kann aber gleichwertig auch der (reziproke) Leitwert aus den Strom- und Spannungsmesswerten des Laststromkreises gebildet werden.

Es erweist sich als Vorteil, die Anzahl der Überschreitungen der vorbestimmten Schwellwerte für das Verhältnis aus Strom- und Spannungsmesswerten über definierte Zeitintervalle zu addieren, bevor ein Lichtbogenfehlersignal erzeugt wird.

Um das Lichtbogen-Detektionsverfahren unanfälliger gegen schaltungsbedingte Einzelstörungen zu machen, wird ein Zähler vorzugsweise bei jeder Überschreitung der vorbestimmten Schwellwerte um Eins inkrementiert und in regelmäßigen Zeitintervallen auf Null zurückgesetzt.

In einer anderen Variante zur Verringerung der Störanfälligkeit wird ein Zähler zweckmäßig bei jeder Überschreitung des vorbestimmten Schwellwerts um einen Zählwert inkrementiert und nach definierten Zeitintervallen, die ohne Inkrementierung verstrichen sind, um ,Eins' dekrementiert, wobei er beim Zählwert ,Null' nicht weiter dekrementiert wird.

Die Zeitintervalle für eine mindestens teilweise Dekrementierung des Zählers werden, vorzugsweise für Gleichstromkreise, je nach gewünschter Empfindlichkeit zwischen 0,1 ms und 10 s Sekunden festgelegt.

Für wechselspannungsbetriebene Laststromkreise beträgt das Zeitintervall für eine mindestens teilweise Dekrementierung des Zählers zweckmäßig zwischen 1 und 1000 Halbwellen einer Wechselspannung des Laststromkreises.

Für Wechselstromkreise ergibt sich die besonders vorteilhafte Detektionsvariante, dass ein Zähler bei Überschreitung des Schwellwertes für das Strom-Spannungs-Verhältnis nur dann inkrementiert wird, wenn gleichzeitig innerhalb einer Halbwelle der Wechselspannung ein Spannungsbetrag oberhalb einer vorgegebenen Spannungsschwelle gemessen wird. Dabei kann der Zähler zweckmäßig bei Überschreitung des Schwellwertes für das Strom-Spannungs-Verhältnis und gleichzeitiger Unterschreitung der vorgegebenen Spannungsschwelle innerhalb einer Halbwelle zusätzlich um jeweils einen Zählwert dekrementiert werden, weil es sich bei Unterschreitung eines bestimmten Spannungsniveaus mit großer Wahrscheinlichkeit nicht um einen Lichtbogen, sondern um eine andere Störung handelt.

Für die weitere Reduzierung des Einflusses von Störungen, die nicht auf Lichtbögen zurückzuführen sind, erweist es sich als vorteilhaft mindestens eine der nachfolgenden Maßnahmen vor der Verhältnisbildung aus Strom- und Spannungswerten durchzuführen:

– Eliminieren von Offset-Fehlern der gemessenen Strom- und Spannungssignale durch jeweiliges Subtrahieren Ihrer Mittelwerte, die in einem stromlosen Zustand des Laststromkreises ermittelt wurden;
– Tiefpassfilterung der Stromsignale und der Spannungssignale

und für wechselspannungsbetriebenem Laststromkreise:

– Phasenkompensation zwischen Strom- und Spannungssignalen sowie
– Ermitteln der absoluten Beträge von Stromsignal und Spannungssignal.

Weiterhin ist es bei einem wechselspannungsbetriebenen Laststromkreis vorteilhaft, dass die Verhältnisbildung aus Strom- und Spannungswerten aus zwischengespeicherten Messwerten erfolgt, wenn der Absolutwert der Wechselspannung des Laststromkreises (beim Nulldurchgang des Spannungssignals) eine vorgegebene untere Schwellspannung nicht überschreitet, wobei die zwischengespeicherten Strom- und Spannungswerte den jeweils letzten Signalzustand vor dem Unterschreiten der Schwellspannung repräsentieren und erst nach erneuter Überschreitung der Schwellspannung durch aktuelle Strom- und Spannungswerte ersetzt werden.

Zweckmäßig kann als Schwellwert für die Bewertung des Verhältnisses von Strom- und Spannungswerten ein konstanter Wert verwendet werden. Vorzugsweise wird dazu ein für den Laststromkreis empirisch ermittelter Wert verwendet.

Besonders vorteilhaft für die Bewertung des Verhältnisses von Strom- und Spannungswerten ist es jedoch, einen gleitenden Schwellwert zu errechnen, der durch Anwendung einer mathematischen Funktion auf den kontinuierlich erzeugten Mittelwert von N vorherigen Verhältniswerten ermittelt wird.

Des Weiteren wird die Aufgabe bei einer Anordnung zum Erkennen von Fehlerstrom-Lichtbögen in Laststromkreisen, insbesondere in Bordnetzen von Luft- und Raumfahrzeugen, bei der in mindestens einer Leitung des Laststromkreises ein Stromsensor angeordnet ist, dem Stromsensor ein Analog-Digital-Wandler zur Erzeugung zeitdiskreter Abtastwerte eines Stromsignals nachgeordnet ist und eine Funktionseinheit zur Auswertung ausgewählter Abtastwerte, Unterdrückung von Störungen, die keine Lichtbögen darstellen, und zur Erzeugung eines Fehlersignals bei Erkennung von Abtastwerten jenseits einer vorgegebenen Schwelle vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungssensor zusätzlich zum Stromsensor in der Leitung des Laststromkreises angeordnet ist, dass ein Divisionsglied zur Bildung von Verhältniswerten aus jeweils zeitgleich gemessenen Strom- und Spannungswerten dem Stromsensor und dem Spannungssensor nachgeordnet ist und dass eine Bewertungseinheit zur Erzeugung eines Fehlersignals für erkannte unzulässige Lichtbögen dem Divisionsglied nachgeschaltet ist, wobei die Bewertungseinheit mindestens eine Schwellbewertung für ermittelte Verhältniswerte aus Strom- und Spannungswerten zur Erzeugung eines Fehlersignals für erkannte Lichtbögen aufweist.

Vorteilhaft ist das Divisionsglied an den Strom- und den Spannungssensor derart angeschlossen, dass der Verhältniswert aus dem Spannungswert als Dividend und dem Stromwert als Divisor gebildet wird, und die Schwellbewertung an ihrem Ausgang ein Nachweissignal für einen potenziellen Lichtbogen aufweist, wenn durch den berechneten Verhältniswert ein vorgegebener Widerstands-Schwellwert unterschritten ist.

Alternativ ist das Divisionsglied an den Strom- und den Spannungssensor zweckmäßig derart angeschlossen, dass der Verhältniswert aus dem Stromwert als Dividend und dem Spannungswert als Divisor gebildet wird, und die Schwellbewertung an ihrem Ausgang ein Nachweissignal aufweist, wenn durch den berechneten Verhältniswert ein vorgegebener Leitwert-Schwellwert überschritten ist.

Zweckmäßig enthält die Bewertungseinheit mindestens eine nachgeordnete selektive Summierung der Nachweissignale der Schwellbewertung auf Basis einer zulässigen Ereignishäufigkeit von Nachweissignalen potenzieller Lichtbögen innerhalb vorgegebener Zeitintervalle und weist bei Überschreitung der zulässigen Ereignishäufigkeit ein Fehlersignal für erkannte Lichtbögen aus.

Vorzugsweise enthält die Bewertungseinheit mindestens einen der Schwellbewertung nachgeordneten Zähler, wobei die Schwellbewertung, wenn durch den Verhältniswert ein vorgegebener Schwellwert überschritten ist, ein Nachweissignal aufweist und auf einen inkrementierenden Eingang des Zählers gelegt ist.

Zur selektiven Summierung von Nachweissignalen potenzieller Lichtbögen sind unterschiedliche Lösungsvarianten möglich.

In einer ersten Variante weist der Zähler einen Reset-Eingang auf, der mit einer Torschaltung in Verbindung steht, so dass der Zählwert potenzieller Lichtbögen nach Ablauf definierter Zeitintervalle der Torschaltung zurückgesetzt wird.

In einer zweiten Variante ist der Zähler vorteilhaft ein Vorwärts-/Rückwärtszähler und weist einen dekrementierenden Eingang auf, der mit einer Torschaltung verbunden ist, so dass der Zähler nach Ablauf definierter Zeitintervalle um ein Inkrement dekrementierbar ist.

In einer dritten Variante für wechselspannungsbetriebene Laststromkreise steht die Torschaltung zweckmäßig mit einem Nulldurchgangsdetektor zur Erfassung von Halbwellen der Wechselspannung in Verbindung, so dass der Zähler nach einer vorgegebenen Anzahl von Halbwellen um mindestens ein Inkrement dekrementierbar ist.

Dabei kann die Torschaltung zusätzlich mit dem Ausgang der Schwellbewertung in Verbindung stehen, so dass der Zähler nach einer vorgegebenen Anzahl von Halbwellen, in denen keine Inkrementierung durch die Schwellbewertung erfolgt ist, um mindestens ein Inkrement dekrementiert oder auf Null zurückgesetzt wird. Eine solche Dekrementierung kann aber auch trotz erfolgter Inkrementierung innerhalb der vorgegebenen Anzahl von Halbwellen nach Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls erfolgen, um die Empfindlichkeit der Lichtbogenerkennung zu verringern.

In einer vierten Variante für wechselspannungsbetriebene Laststromkreise steht die Torschaltung mit einem zusätzlichen Schwellwertschalter in Verbindung, der bei Unterschreitung einer Spannungsschwelle im Nulldurchgangsbereich der Wechselspannung ein H-Signal aufweist, das mit dem Ausgang der Schwellbewertung für den Verhältniswert UND-verknüpft ist, so dass der Zähler bei einem Nachweissignal der Schwellbewertung und dem H-Signal des Schwellwertschalters der Spannungsschwelle um mindestens ein Inkrement dekrementiert wird.

Vorzugsweise sind mindestens das Divisionsglied und die Bewertungseinheit auf einem FPGA integriert. Sie können alternativ aber auch zweckmäßig auf einem ASIC integriert sein. Ferner können auf dem FPGA oder ASIC auch noch weitere Elemente, wie die Strom- und Spannungssensoren sowie vor dem Divisionsglied optional vorhandene Signalvorverarbeitungseinheiten integriert sein.

Vorteilhaft ist in der erfindungsgemäß überwachten Leitung des Laststromkreises nahe der Energieversorgung ein elektrischer Schalter angeordnet, der zur Unterbrechung der Leitung des Laststromkreises vorgesehen ist, wenn die Bewertungseinheit ein Fehlersignal für erkannte Lichtbögen aufweist.

Als elektrischer Schalter zur Unterbrechung der Zuleitung zum Laststromkreis können vorteilhaft ein elektronischer Schalter (Thyristor, Triac, etc.) oder ein elektromechanisches Relais eingesetzt werden.

Für Luft- und Raumfahrtanwendungen erweist es sich von Vorteil, wenn der Stromsensor mit zugehörigem Analog-Digital-Wandler, der Spannungssensor in Form des Analog-Digital-Wandlers und ein Funktionsbaustein, der das Divisionsglied und die Bewertungseinheit enthält, in einem kompakten Schutzschalter integriert sind, dessen Schaltfunktion jeweils eine überwachte Leitung von der Energieversorgung trennt, wenn die Bewertungseinheit ein Fehlersignal für erkannte Lichtbögen generiert.

Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass die Detektion von Kriechstrom-Lichtbögen in Laststromkreisen durch hinreichend viele ähnliche Stromschwankungen, wie Störungen infolge Zu- und Abschaltung von anderen Verbrauchern, erschwert ist und allein anhand einer Stromsignalüberwachung – selbst bei Einsatz anspruchsvoller Filtermethoden – nicht zuverlässig erfolgen kann, ohne unnötige und für Sicherheitsanforderungen in Luft- und Raumfahrt unzulässige Fehlabschaltungen der Stromkreise hinnehmen zu müssen. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch das Auftreten von Fehlerstrom-Lichtbögen (Arc Tracking) zusätzlich zum normalen Laststrom weitere Ströme durch den Leiter des Laststromkreises vorhanden sind. Dadurch ändert sich das Verhältnis von Spannung und Strom, welches durch eine Division nach jeder Strom- und Spannungsmessung berechnet wird. Das Verhältnis kann alternativ als Widerstand oder als Leitwert der elektrischen Last berechnet werden.

Vorteilhaft werden potenzielle Lichtbögen (kurzzeitige Störungen, die nicht in jedem Fall Fehlerströme an hochohmigen Nebenschlüssen zur Ursache haben müssen) im Laststromkreis detektiert und letzterer erst dann abgeschaltet, wenn diese Störungen wiederholt, z.B. in einer bestimmten Anzahl pro Zeitintervall, auftreten.

Für die erfindungsgemäße Lichtbogendetektion ist die Art der Stromversorung der Last gleichgültig. Die Last kann mit Gleichspannung oder beliebiger Wechselspannung oder sogar mit variabler Frequenz (somit auch in einem Wildfrequenznetz) betrieben werden, wobei die einzige Voraussetzung für die Zuverlässigkeit der Lichtbogendetektion ist, dass die Last im überwachten Stromkreis keinen schnellen Widerstandsänderungen unterliegt.

Durch die gekoppelte Auswertung von Strom und Spannung können normale Netzstörungen besser erkannt werden, wobei bei Einsatz der FPGA-Technologie (bzw. von ASIC's) Wechselstromkurvenzüge sehr schnell abgetastet und verarbeitet werden können. Übliche Prozessortechnologie ist wegen der geforderten Verarbeitungsgeschwindigkeiten nicht sinnvoll einsetzbar.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, bei der Erkennung von Kriechstrom-Lichtbögen in elektrischen Leitungen für Lasten mit relativ konstanter Leistungsaufnahme die Gefahr von Fehlauslösungen der Schutzmaßnahmen deutlich zu reduzieren, ohne die Zuverlässigkeit der Abschaltung bei tatsächlichen Lichtbögen zu beeinträchtigen.

Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass Schwankungen der Netzspannung (z.B. zur Zuschaltung anderer Verbraucher) nicht fälschlicherweise als Lichtbögen gemeldet werden, weil sich das Verhältnis von Spannung zum Strom bei ersteren nicht signifikant ändert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Erfindung sowohl für Gleichspannungssysteme (d.h. Systeme, bei denen die Lasten mit Gleichspannung versorgt werden) als auch für Wechselspannungssysteme mit variablen oder festen Frequenzen geeignet ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Prinzipansicht der erfindungsgemäßen Anordnung,
2: ein Blockschaltbild für eine Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Widerstandsmessung und -bewertung,
3: ein Blockschaltbild einer vorteilhaft erweiterten Anordnung unter Anwendung der Widerstandsmessung,
4: erweitertes Blockschaltbild in einer anderen Variante des Verfahrens (Leitwertmessung),
5: ein Anwendungsbeispiel für vier Heizstromkreise in einem Flugzeug.
1 zeigt zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Grundanordnung eines beliebigen Laststromkreises, der aus einer Energieversorgung 101, einem zur Leitungsunterbrechung eingesetzten Schalter 102, einer Last 105 (z.B. stromintensiver Heizer) und einer zur Stromzuführung für die Last 105 vorgesehenen elektrischen Leitung 104 (die Stromrückführung sei als Massekontakt an der Last 105 angenommen). Es wird davon ausgegangen, dass die Leitung 104 mit einer elektrischen Last 105 verbunden ist, deren Widerstand sich nicht oder nur langsam ändert.
Zur Detektion von Fehlerstrom-Lichtbögen sind an der Leitung 104 ein Stromsensor 103 mit nachgeschaltetem A/D-Wandler 106 sowie ein Spannungssensor in Form eines A/D-Wandlers 107 angeordnet. An den Ausgängen der A/D-Wandler 106 und 107 werden zeitgleich zeitdiskrete Strom- und Spannungswerte U(k) und I(k) bereitgestellt, die in einem Divisionsglied 111 zu einem aktuellen Verhältniswert V(k) verarbeitet werden. Dabei kann entweder der Widerstand oder der Leitwert des Laststromkreises berechnet werden, wobei sich in jedem Fall ein gleichwertiges Ergebnis einstellt, wenn die nachfolgende Schwellbewertungseinheit 112 entsprechend angepasst wird.
Die Schwellbewertungseinheit 112 gibt bei Überschreitung einer vorgegebenen Schwelle (d.h. Überschreitung für Leitwert, Unterschreitung für Widerstandswert) ein Nachweissignal Z(k) aus, dass in einer Torschaltung 113 in bestimmten Zeitintervallen aufsummiert wird. Ein in der Torschaltung integrierter Zähler 116 wird durch ein Nachweissignal Z(k) jeweils um Eins inkrementiert und nach Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls zurückgesetzt oder wenigstens um Eins dekrementiert. Der aktuelle Zählwert N(k) des Zählers 116 wird ständig von einem Vergleichen 114 abgetastet, der bei Überschreitung einer Schwelle für die innerhalb eines Zeitintervalls zulässigen potenziellen Lichtbögen (verkörpert durch den Zählwert N(k) von kumulierten Nachweissignalen Z(k) für potenzielle Lichtbögen) ein Fehlersignal S(k) abgibt. Durch dieses Fehlersignal S(k) wird eine Steuereinheit 115 zur Steuerung der Energieversorgung des Laststromkreises veranlasst, ein Ausschaltsignal A(k) an einen Schalter 102, der die Energieversorgung 101 vom Laststromkreis trennt, zu senden.
Nach diesem Grundprinzip werden gemäß 2 ebenfalls der Strom I(t) und die anliegende Spannung U(t) in der Leitung 104 erfasst. Für die Strommessung wird als Stromsensor 103 ein Stromtransformator benutzt. Es kann aber auch ein Strom-Spannungs-Wandler eingesetzt werden.
Die Strom- und Spannungssignale werden mittels zweier Analog-Digital-Wandler 106 und 107 gleichzeitig mit einer hinreichend großen Frequenz f = 1/T, z.B. 100 kHz, abgetastet.
Die abgetasteten Signale sind U = U(k/f) und I(k) = I(k/f), wobei k eine positive ganze Zahl ist.
Die Signale U(k) und I(k) werden digital weiterverarbeitet. Hierfür wird ein schneller Funktionsbaustein 23, vorzugsweise ein FPGA (Field Programmable Gate Array), genutzt, da bei diesem Verfahren sehr große Datenmengen in kurzer Zeit verarbeitet werden müssen.
Als Alternative kann vorgesehen sein, dass die digitale Datenverarbeitung in einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) durchgeführt wird.
Wenn es sich um ein gestörtes Gleichspannungssystem oder ein Wechselspannungssystem handelt, werden die abgetasteten Signale, wie später zu 3 genauer beschrieben, in einem digitalen Signalvorverarbeitungsblock 200 aufbereitet. Die in den Signalvorverarbeitungseinheiten 209 und 210 „gefilterten" (d.h. vorverarbeiteten) Spannungs- und Stromsignale werden gemäß 2 als U'(k) und I'(k) bezeichnet. Bei einem ungestörten Gleichspannungssystem wird die Vorverarbeitung nicht benötigt. Dann gilt U'(k) = U(k)und I'(k) = I(k).
Im Divisionsglied 111 (Quotientenbildner) wird in diesem Beispiel der aktuelle Widerstand R(k) – als Konkretisierung des Verhältniswertes V(k) aus 1 – mittels Division der „gefilterten" Spannungswerte U'(k) durch die „gefilterten" Stromwerte I'(k) berechnet als R(k) = U'(k)/I'(k).
Die Schwellbewertungseinheit 112 vergleicht den aktuellen Widerstandswert R(k) mit einem Schwellwert T(k). Im einfachsten Fall ist T(k) eine Konstante oder ein vom Benutzer gewählter empirischer Wert.
Wenn R(k) den Wert T(k) unterschreitet, wird dies als das Auftreten eines „potenziellen Lichtbogens" interpretiert und das Zustandssignal Z(k) erhält für einen Takt lang den Wert ,1', während es sonst ,0' ist. Z(k) wird an die nächste Einheit weitergeleitet, die für die Steuerung der Energiezufuhr des Laststromkreises verantwortlich ist.
Um bei einer Störung auf dem Leiter 104, die fälschlicherweise als potenzieller Lichtbogen erkannt und durch Abgabe eines Nachweissignals Z(k) weitergeleitet wurde, nicht eine Fehlermeldung zu generierten, wird die Meldung über einen „echten Lichtbogen" erst erzeugt, wenn in einem vorgegebenen Zeitraum eine bestimmte Anzahl von potenziellen Lichtbögen detektiert wurde.
Dieses wird in einer Torschaltung 113 durch ein einfaches Zeitfenster implementiert, indem eine bestimmte Anzahl N(k) von Signalen (zur Kennzeichnung von schwellüberschreitenden potenziellen Lichtbogen-Ereignissen) durchgelassen und aufsummiert wird, oder durch einen Vorwärts-/Rückwärtszähler 117, wobei beim Erreichen eines bestimmten Zählwertes N(k) ein Vergleicher 114 zur Abgabe eines „echten Lichtbogenfehlers" (Zustandssignal S(k)) veranlasst wird.
Der Zähler 117 kann dabei so eingestellt sein, dass er in vorgegebenen Zeitintervallen potenzielle Lichtbögen zählt und am Ende jedes Zeitintervalls auf Null zurückgesetzt wird. In einer bevorzugten Ausführung wird der Zähler 117 so ausgebildet, dass dessen Zählwert N(k) bei jedem potenziellen Lichtbogen inkrementiert und jeweils nach einer vorgegebenen Zeit mindestens um Eins dekrementiert wird. Wenn also nach dem Erkennen einer Reihe von potenziellen Lichtbogencharakteristiken keine weiteren solchen Ereignisse beobachtet werden, sinkt der Zählwert N(k) schrittweise nach definierten Intervallen wieder (ggf. bis auf den Wert Null und bleibt dort stehen), bis erneut potenzielle Lichtbögen festgestellt werden.
Erreicht der Zählwert N(k) am Ausgang der Torschaltung 113, die in diesem Fall allein durch den Aufwärts-/Abwärtszähler 117 verkörpert wird, eine vorgegebene Konstante oder überschreitet diese, so setzt der Vergleicher 114 ein Lichtbogen-Fehlersignal (Wert Eins), wobei das Fehlersignal S(k) eine Anzahl von summierten potenziellen Lichtbögen (Nachweissignalen Z(k)) innerhalb einer vorgegebnen Zeit verkörpert, die mit hoher Wahrscheinlichkeit einen „echten Lichtbogenfehler" im Laststromkreis darstellt. Ansonsten hat S(k) den Wert Null.
Durch die Anwendung eines Zählers 117 mit einem Zeitfenster als Torschaltung 113 können vereinzelte Fehlentscheidungen aufgrund von anderweitigen Störungen nicht zum Erzeugen einer Fehlersignals S(k) für Fehlerstrom-Lichtbögen führen. Dieser Vorteil vergrößert sich noch, wenn der Vorwärts-/Rückwärtszähler 117 durch bestimmte Ereignisse oder Zeitintervallgrenzen – wie weiter unten noch ausführlich beschrieben – um einzelne Zählwerte dekrementiert wird.
Das Fehlersignal S(k) wird an die Steuereinheit 115 gesendet, die den Fehler speichert und durch das Setzen des Abschaltsignals A(k) veranlasst, dass der entsprechende Leiter 104, an dem die Lichtbögen des Laststromkreises gemessen wurden, durch einen Schalter 102 von der Energieversorgung 101 getrennt wird.
Bei diesem Schalter 102 kann es sich um einen elektronischen Schalter (Thyristor, Triac etc.) oder elektromechanisches Relais handeln.
Alternativ kann das Abschaltsignal A(k) auch zu einem Schutzschalter (nicht dargestellt) gesendet werden, der die Trennung des Leiters 104 und damit auch der Last 105 von der Energieversorgung 101 durchführt.
Wie in 3 gezeigt, kann das vorher beschriebene Grundprinzip um weitere Operationsschritte erweitert werden, um es an verschiedene Systemanforderungen anzupassen. Hierzu gehören zwei Offsetabgleicher 201 und 202, zwei Tiefpassfilter 203 und 204, eine Phasenkompensationseinheit 205, zwei Betragsbildner 206 und 207, ein Halteglied 208 zur Überbrückung von Signalen unterhalb einer Spannungsrauschschwelle und eine Berechnungseinheit 118 zur Ermittlung eines dynamischen Schwellwertes für die potenziellen Lichtbögen. Diese zusätzlichen Maßnahmen können abweichend von 3 auch einzeln mit den nachfolgend beschriebenen Wirkungen eingesetzt werden, um das Fehlerzustand-Signal S(k) für Lichtbögen zuverlässiger von Fehlauslösungen durch andere Strom- und Spannungsschwankungen zu befreien.
Die folgenden erweiternden Operationen zur Datenvorverarbeitung werden nach der Analog-Digital-Wandlung der Strom- und Spannungssignale in den separaten A/D-Wandlern 106 und 107 und vor der Verhältnisbildung im Divisionsglied 111 ausgeführt.
Durch je einen Offsetabgleich 201 und 202 für das abgetastete Stromsignal I(k) und das abgetastete Spannungssignal U(k) werden Offsetfehler korrigiert. Hierzu wird nach dem Start des Systems die Leitung 104 zur Last 105 von der Energieversorgung 101 getrennt, um jeweils einen Mittelwert von den zwei abgetasteten Signalen zu berechnen. Nachdem die Energieversorgung 101 mit dem Leiter 104 wieder verbunden ist, werden die berechneten Mittelwerte stets von den aktuell abgetasteten Signalen subtrahiert und dann zum nächsten Verarbeitungsschritt weitergeleitet. Ein solcher Offsetabgleich an sich ist Stand der Technik.
Um Störungen auf den Strom- und Spannungssignalen zu verringern, werden die zwei zeitgleich abgetasteten Signale U(k) und I(k), die bereits vom Offsetabgleich 201 und 202 bearbeiteten wurden, mit jeweils einem Tiefpass 203 und 204 gefiltert. Bei diesen Tiefpässen 203 und 204 handelt es sich um allgemein bekannte digitale FIR-Filter (Infinite Impulsed Response Filter) oder IIR-Filter (Finite Impulse Response Filter). Die Filterkoeffizienten sind dabei so gewählt, dass ein Großteil der Störungen entfernt wird, aber die Charakteristiken der Lichtbögen erhalten bleiben.
Eine weitere Ergänzung der Erfindung besteht darin, dass ein zusätzliches Element, ein Phasenkompensationseinheit 205, eine eventuelle Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung vor dem Divisionsglied 111 ausgleicht, wenn eine komplexe Last und eine Wechselspannungsversorgung eingesetzt werden.
Im Phasenkompensationseinheit 205 wird die zeitliche Differenz von den Nulldurchgängen der Strom- und Spannungssignale gemessen. Dabei werden die Nulldurchgänge mit einfachen Komparatoren erfasst und mit Zählern die Anzahl der Takte zwischen diesen Nulldurchgängen gemessen. Dann wird das „schnellere" Signal entsprechend der zeitlichen Differenz (z.B. mittels Schieberegistern) verzögert. Die Länge der angewendeten Schieberegister wird entsprechend der benötigten Verzögerung dynamisch angepasst. Die Signale werden nach dem Phasenkompensationseinheit 205 zur nächsten Operation (Quotientenbildung) im Divisionsglied 111 weitergeleitet.
Wenn die Energieversorgung für die Last eine Wechselspannung bereitstellt, wird durch vor dem Divisionsglied 111' zusätzlich zwischengeschaltete Operationsblöcke, die Betragsbildner 206 und 207, der absolute Betrag der abgetasteten und eventuell vorverarbeiteten Strom- und Spannungssignale gebildet, um die weitere Verarbeitung zu erleichtern. Nun werden die bearbeiteten Signale zum Divisionsglied 111 weitergeleitet. Optional können sie vorher noch auf ein Halteglied 208 geleitet werden, dessen Funktion im Folgenden beschrieben wird.
Bei Wechselspannungssystemen kann es in der Nähe der Nulldurchgänge des abgetasteten Spannungssignals zu Ungenauigkeiten bei den folgenden Berechnungen kommen, weil die Werte der vorverarbeiteten Strom- und Spannungssignale sehr klein und natürlich auch Null werden. Dieses wird durch die Halteglied 208 vermieden, bei der die Werte der beiden Signale in der zeitlichen Nähe dieser Spannungsnulldurchgänge „festgehalten" werden. Dieses wird realisiert, indem die schon bearbeiteten Spannungs- und Stromwerte in jeweils einem Register gespeichert werden und zur Verfügung stehen, wenn der absolute Betrag der Spannung ein vorgegebenes Niveau (unteren Spannungsschwellwert) unterschreitet. Solange dieses Niveau der Spannung unterschritten wird, arbeitet der nachfolgende Divisionsglied 111 mit den im Halteglied 208 gespeicherten Werten, ansonsten mit den aktuellen vorverarbeiteten Signalwerten.
Die so bearbeiteten Signale werden in 2 und in 3 als U'(k) und I'(k) bezeichnet und wie beschrieben im Divisionsglied 111 weiterverarbeitet.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass bei Wechselspannungssystemen in der Torschaltung 113 der Zählwert N(k) des Zählers 115 immer dann verringert wird, wenn potenzielle Lichtbögen in zeitlicher Nähe der Nulldurchgänge des Spannungssignals U(k) beobachtet werden. In diesen Bereichen sind im Allgemeinen keine Lichtbögen vorhanden, denn am Anfang einer Halbwelle ist die Spannung zu klein, um einen Lichtbogen entstehen zu lassen, und am Ende einer Halbwelle erlischt der Lichtbogen, bevor die Spannung Null ist. Wenn aber in diesem Bereich trotzdem ein potenzieller Lichtbogen erkannt wird, handelt es sich mit sehr großer Wahrscheinlichkeit um eine Störung des Spannungs- oder des Stromsignals, und der Wert des Zählers N(k) im Zähler 115 darf nicht steigen, sondern er sollte sinken.
Realisiert wird dies, indem das bearbeitete Spannungssignal U'(k) mit einem vorgegebenen unteren Schwellwert verglichen wird. Sind die Spannung U'(k) kleiner als der Spannungsschwellwert und der Zählwert N(k) des Zählers größer als Eins und ist gleichzeitig ein potenzielle Lichtbogen detektiert worden (Z(k) = 1), dann wird der Zähler dekrementiert. Wenn aber U'(k) wieder steigt und nicht mehr kleiner als der Schwellwert ist, wird der Zählwert N(k) bei jedem potenziellen Lichtbogen inkrementiert und immer nach einer vorgegebenen Zeit dekrementiert. Das Zeitintervall, nach dem eine Dekrementierung erfolgt, um den Laststromkreis vor vorzeitiger unnötiger Abschaltung der Stromversorgung zu schützen, kann – je nach gewünschter Empfindlichkeit des Systems – zwischen 1 ms und 10 s oder zwischen 1 und 1000 Halbwellen der Wechselspannung gewählt werden.
Für Flugzeugbordnetze (z.B. mit 400 Hz) haben sich wenige Halbwellen als sinnvoll erwiesen. Vornehmlich wird nach jeder Halbwelle der Zählwert des Aufwärts-/Abwärts-Zählers 117 um Eins dekrementiert.
In Wechselspannungssystemen kann auch das Zählen von Fehlerstrom-Lichtbögen abhängig von den Halbwellen der Wechselspannung geschehen. D.h., in der Torschaltung 113 wird nach jeder Halbwelle genau einmal der Aufwärts-/Abwärts-Zähler 117 inkrementiert, wenn ein oder mehrere Lichtbögen in dieser Zeit aufgetreten sind, und bei jeder m-ten Halbwelle wird der Aufwärts-/Abwärts-Zähler 117 einmal dekrementiert, wobei m eine natürliche Zahl und ein Maß für die gewählte Empfindlichkeit der Lichtbogen-Detektion ist. Der Anfang und das Ende jeder Halbwelle wird dabei durch eine Erkennung der Nulldurchgänge vom Spannungssignal U(k) bestimmt. Es kann wahlweise entweder nur nach m lichtbogenfreien Halbwellen oder in jedem Fall nach m vorgegebenen der Aufwärts-/Abwärts-Zähler 117 dekrementiert oder zurückgesetzt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass dem Schwellwert T(k) nicht ein fester Wert (Konstante) zugeordnet wird, sondern dass der Schwellwert T(k) durch eine Berechnungseinheit 21 mit jedem neu eingehenden Verhältniswert V(k), in diesem Beispiel (gemäß 3) mit jedem Widerstandswert R(k), neu berechnet wird. Hierzu wird kontinuierlich von den letzten N Werten des aktuellen Widerstandes R(k) der Mittelwert
gebildet, wobei N eine natürliche Zahl ist und so gewählt wird, dass sich der berechnete Wert R'(k) nur unwesentlich ändert, wenn R(k) kurzzeitig von seinem üblichen Wert abweicht.
Mit einer Funktion F wird aus R'(k) der Schwellwert T(k) = F(R'(k)) berechnet. Dabei muss F(R'(k)) so gewählt werden, dass T(k) = F(R'(k)) in dem relevanten Bereich größer als Null und kleiner als R'(k) selbst ist.
Umso größer die Differenz zwischen R'(k) und T(k) ist, desto unempfindlicher ist das beschriebene Verfahren gegenüber Schwankungen des aktuellen Widerstandes.
Dieser dynamische Schwellwert T(k) hat den Vorteil, dass er sich anpasst, falls sich der Widerstand der Last 105 ändert oder wenn dauerhaft Störungen auf der Leitung 104 auftreten. Dies verhindert Fehlmeldungen bei der Lichtbogenerkennung, die bei bekannten Systemen mitunter häufig auftreten können. Außerdem kann der Widerstand der Last bei dieser Verfahrensweise beliebig groß sein.
In einer anderen Ausführungsform gemäß 4 wird ein dem vorher beschriebenen sehr ähnliches Verfahren zur Lichtbogenerkennung realisiert, bei dem aber das Divisionsglied 111 (aus 2 und 3) für die Berechnung des Widerstandes R(k) durch einen Quotientenbilder 311 für die Berechnung des aktuellen Leitwertes G(k) = U'(k)/I'(k) ersetzt wurde. Wenn in der Schwellwerteinheit 312 der aktuelle Leitwert G(k) den Schwellwert T(k) überschreitet, wird dieses entsprechend als potenzieller Lichtbogen interpretiert und das Zustandssignal Z(k) erhält für einen Takt lang den Wert Eins, während es sonst Null ist.
Dabei ist T(k) ein Wert, der größer als der normale Leitwert G(k) ist, wenn keine Lichtbögen auftreten. Daher müsste eine Funktion F für die dynamische Schwellwertberechnung (die in einer analog zu 3 entsprechend angeordneten Schwellwertberechnungseinheit 118 ablaufen müsste) so gewählt werden, dass diese Bedingung eingehalten wird. Der dynamische Schwellwert T(k) ist dann T(k)=F(G'(k)), wobei G'(k) der mitlaufend berechnete Mittelwert von G(k) ist.
Ansonsten entsprechen alle Operationen bei Verwendung des Leitwertes G(k) den vorher beschriebenen Verfahren gemäß den 2 und 3 mit dem Widerstandswert R(k) und dem gleitenden Widerstandswert T(k) = F(G'(k)).
Die gesamte digitale Signalverarbeitung ist vorzugsweise – wie in den 2 bis 4 dargestellt – in einem Funktionsbaustein 23 integriert, der ein FPGA (Field Programmable Gate Array) oder ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit) sein kann. Zusätzlich zu der digitalen Signalverarbeitung können auch die Analog-Digital-Wandler 106 und 107 sowie weitere Komponenten integriert sein.
Der Funktionsbaustein 23 kann seinerseits Bestandteil eines Schutzschalters sein. FPGA und ASIC als Funktionsbaustein 23 haben den entscheidenden Vorteil, dass sie viele Operationen gleichzeitig ausführen können, so dass eine sehr schnelle Datenverarbeitung ermöglicht wird. Die Abtastung von mehreren analogen Signalen mit einer Frequenz von mehr als 50 kHz, die gleichzeitige Filterung der Signale mit verschiedenen „Filtern" im digitale Signalvorverarbeitungsblock 200 sowie die gleichzeitige Ausführung der weiteren Funktionen des Algorithmus sind mit gewöhnlichen Prozessoren schwer realisierbar.
In den Funktionsbaustein 23 können weitere Funktionen integriert werden, zum Beispiel eine Schnittstelle, über die mit anderen Komponenten kommuniziert wird. So können Fehlermeldungen und Details einer Steuerungseinheit mitgeteilt und Parameter empfangen werden.
In 5 werden bei einem Anwendungsbeispiel für Heizstromkreise in Flugzeugen die Ströme von vier Leitungen 1 bis 4 mit Stromsensoren 13 bis 16 gemessen, die jeweils an einer elektrischen Last (hier: Heizlasten 17 bis 20) angeschlossen sind. Als Stromsensoren 13 bis 16 werden Stromtransformatoren genutzt. Über die vier Leitungen 1 bis 4, vier elektronischen Relais 9 bis 12 und vier elektromechanischen Relais 5 bis 8 sowie 21 werden die Heizlasten 17 bis 20 mit vier zum Teil verschiedenen Wechselspannungen AC1 bis AC4 versorgt. Diese analogen Stromsignale und die Spannungssignale werden gleichzeitig im erfindungsgemäßen Funktionsbaustein 23 („Arc Detection") abgetastet und dann entsprechend dem beschriebenen Verfahren zur Erkennung von Fehlerstrom-Lichtbögen verarbeitet. Dazu ist dieser Funktionsbaustein 23 als FPGA oder ASIC ausgeführt und kann auch die Analog-Digital-Wandler 106 und 107 sowie Überstromschalter 22 und elektronische Schaltfunktionen (z.B. Steuerblock 24) enthalten.
Wird nun durch die Änderung des Verhältnisses von Spannung zu Strom beispielweise in der Leitungen 4 ein Lichtbogen erkannt, sendet der Funktionsbaustein ein Signal an das zugehörige ODER-Gatter 29, so dass das diesem nachgeschaltete elektronische Relais 12 die angeschlossene Leitung 4 und damit die Last 20 von der Energieversorgung 101 trennt. Hierdurch werden weitere Schäden durch Lichtbögen (z.B. Kabelbrand) verhindert.
In diesem Anwendungsbeispiel überwacht der Überstromschalter 22 („Over-current Detection") zusätzlich die Ströme. Im Überstromschalter 22 erfolgt eine Überstromerkennung durch Komparatoren, die an sich Stand der Technik ist. Wird z.B. in Leitung 2 ein Überstrom erkannt, so wird über das ODER-Gatter 27 und den elektronischer Schalter 10 die Leitung 2 von der Energieversorgung 101 getrennt.
Um die Sicherheit zu erhöhen, schaltet der Steuerblock 24 („Triac Switching Supervision") die elektromechanischen Relais 5 bis 8 und 21 aus, falls die elektronischen Relais 9 bis 12 nicht auf ihr Ausschaltsignal reagieren und daher die gemessene Spannung nicht Null wird.
Mit dem Block 25 („Power On BITE") kann ein Test der Relais 5 bis 8 und 21 befohlen werden.
Die Blöcke 22, 24, 25 und die ODER-Gatter 26 bis 29 können ebenfalls im Funktionsbaustein (FPGA oder ASIC) realisiert sein wie der digitale Verarbeitungsteil des Funktionsbausteins 23 („Arc Detection").
Da die beschriebenen Vorrichtungen und das beschriebene Verfahren bei dem Einsatz relativ konstanter elektrischer Lasten eine gute Erkennung von Lichtbögen bieten und nicht zu Fehlermeldungen bei Spannungsschwankungen führen, sind sie besonders für die Lichtbogenerkennung in Flugzeugen geeignet.
Aber auch Leitungen anderer elektrischer Stromkreise mit beliebigen Lasten, deren Widerstand sich nicht oder nur langsam ändert, können durch das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung vor Fehlerstrom-Lichtbögen geschützt werden.

AC1 bis AC4: Wechselspannungen
1 bis 4: Leitungen
5 bis 8: elektromechanische Relais
9 bis 12: elektronische Relais
13 bis 16: Stromtransformatoren
17 bis 20: Heizlasten
21: elektromechanisches Relais
22: Überstromdetektor
26 bis 29: ODER-Gatter
23: Funktionsbaustein (Lichtbogendetektor)
24: Steuerblock
25: Block „Power On BITE"
101: Energieversorgung
102: Schalter
103: Stromsensor
104: Leitung
105: Last
106: Analog-Digital-Wandler
107: Analog-Digital-Wandler
111: Divisionsglie (Quotientenbildner)
112: Schwellbewertungseinheit
113: Torschaltung
114: Vergleicher
115: Steuereinheit (für Energieversorgung)
116: Zähler
117: Aufwärts-/Abwärtszähler
118: Berechnungseinheit (für dynamischen Schwellwert)
200: Signalvorverarbeitungsblock
201, 202: Offsetabgleicher
203, 204: Tiefpass(filter)
205: Phasenkompensationseinheit
206, 207: Betragsbildner
208: Halteglied
209, 210: Signalvorverarbeitungseinheit

Claims

Verfahren zum Erkennen von Fehlerstrom-Lichtbögen, bei dem in mindestens einer Leitung eines Laststromkreises ein Strom gemessen und unter Verwendung eines gewandelten Strommesswertes ein Überwachungssignal erzeugt wird, wobei durch Überschreitung mindestens einer für das Überwachungssignal im Laststromkreis definierten Schwelle Lichtbögen erkannt werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Messen eines Spannungswertes gleichzeitig zur Strommessung, – Bilden eines Verhältnisses aus parallel erfassten Strom- und Spannungsmesswerten, und – Erzeugen eines Indikatorsignals für einen Lichtbogen, wenn Änderungen des Verhältnisses aus den Strom- und Spannungsmesswerten über vorbestimmte Schwellwerte hinaus auftreten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verhältnis aus Strom- und Spannungsmesswerten der Widerstandswert des Laststromkreises gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verhältnis aus Strom- und Spannungsmesswerten der Leitwert des Laststromkreises gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Überschreitungen der vorbestimmten Schwellwerte des Verhältnisses aus den Strom- und Spannungsmesswerten über definierte Zeitintervalle addiert werden, bevor ein Lichtbogenfehlersignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zähler bei jeder Überschreitung der vorbestimmten Schwellwerte um Eins inkrementiert und in regelmäßigen Zeitintervallen auf Null zurückgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zähler bei Überschreitung des vorbestimmten Schwellwerts inkrementiert und nach definierten Zeitintervallen um Eins dekrementiert wird, wobei er beim Zählwert Null nicht weiter dekrementiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler Überschreitung des vorbestimmten Schwellwerts inkrementiert und jeweils nach definierten Zeitintervallen, die ohne Inkrementierung verstrichen sind, um Eins dekrementiert wird.
Verfahren nach Anspruch nach 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitinvervall für eine mindestens teilweise Dekrementierung des Zählers zwischen einer und zehn Sekunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch nach 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitinvervall für eine mindestens teilweise Dekrementierung des Zählers zwischen einer und eintausend Halbwellen einer Wechselspannung des Laststromkreises beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Wechselstromkreisen ein Zähler bei Überschreitung des Schwellwertes für das Strom-Spannungs-Verhältnis nur dann inkrementiert wird, wenn gleichzeitig innerhalb einer Halbwelle der Wechselspannung ein Spannungsbetrag oberhalb einer vorgegebenen Spannungsschwelle gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler bei Überschreitung des Schwellwertes für das Strom-Spannungs-Verhältnis und gleichzeitiger Unterschreitung der vorgegebenen Spannungsschwelle innerhalb einer Halbwelle um jeweils mindestens einen Zählwert dekrementiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Verhältnisbildung aus Strom- und Spannungswerten Offset-Fehler von den gemessenen Strom- und Spannungssignalen durch Subtrahieren jeweils eines Mittelwertes, der in einem stromlosen Zustand des Laststromkreises ermittelt wird, eliminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Verhältnisbildung aus Strom- und Spannungswerten jeweils eine Tiefpassfilterung der Strom- und Spannungssignale erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei wechselspannungsbetriebenem Laststromkreis vor der Verhältnisbildung aus Strom- und Spannungswerten eine Phasenkompensation zwischen Strom- und Spannungssignalen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei wechselspannungsbetriebenem Laststromkreis vor der Verhältnisbildung aus Strom- und Spannungswerten die absoluten Beträge von Strom- und Spannungssignalen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei wechselspannungsbetriebenem Laststromkreis die Verhältnisbildung aus Strom- und Spannungswerten aus zwischengespeicherten Messwerten erfolgt, wenn der Absolutwert der Wechselspannung des Laststromkreises eine vorgegebene Schwellspannung nicht überschreitet, wobei die zwischengespeicherten Strom- und Spannungswerte den jeweils letzten Signalzustand vor dem Unterschreiten der Schwellspannung repräsentieren und erst nach erneuter Überschreitung der Schwellspannung durch aktuelle Strom- und Spannungswerte ersetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwellwert für die Bewertung des Verhältnisses von Strom- und Spannungswerten ein konstanter Wert verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwellwert für die Bewertung des Verhältnisses von Strom- und Spannungswerten ein vom Nutzer des Laststromkreises empirisch ermittelter Wert verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bewertung des Verhältnisses von Strom- und Spannungswerten ein berechneter gleitender Schwellwert berechnet wird, der durch Anwendung einer mathematischen Funktion auf den kontinuierlich erzeugten Mittelwert von N vorherigen Verhältniswerten ermittelt wird.
Anordnung zum Erkennen von Fehlerstrom-Lichtbögen in Laststromkreisen, insbesondere in Bordnetzen von Luft- und Raumfahrzeugen, bei der in mindestens einer Leitung des Laststromkreises ein Stromsensor angeordnet ist, dem Stromsensor ein Analog-Digital-Wandler zur Erzeugung zeitdiskreter Abtastwerte eines Stromsignals nachgeordnet ist und eine Funktionseinheit zur Auswertung ausgewählter Abtastwerte, Unterdrückung von Störungen, die keine Lichtbögen darstellen, und zur Erzeugung eines Fehlersignals bei Erkennung von Abtastwerten jenseits einer vorgegebenen Schwelle vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Spannungssensor zusätzlich zum Stromsensor in der Leitung des Laststromkreises angeordnet ist, – ein Divisionsglied zur Bildung von Verhältniswerten aus jeweils zeitgleich gemessenen Strom- und Spannungswerten dem Stromsensor und dem Spannungssensor nachgeordnet ist, – eine Bewertungseinheit zur Erzeugung eines Fehlersignals für erkannte unzulässige Lichtbögen dem Divisionsglied nachgeschaltet ist, wobei die Bewertungseinheit mindestens eine Schwellbewertung für ermittelte Verhältniswerte aus Strom- und Spannungswerten zur Erzeugung eines Fehlersignals für erkannte Kriechstrom-Lichtbögen aufweist.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Divisionsglied an den Strom- und den Spannungssensor derart angeschlossen ist, dass der Verhältniswert aus dem Spannungswert als Dividend und dem Stromwert als Divisor gebildet wird, und die Schwellbewertung an ihrem Ausgang ein Nachweissignal für potenzielle Lichtbögen aufweist, wenn durch den berechneten Verhältniswert ein vorgegebener Widerstands-Schwellwert unterschritten ist.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Divisionsglied an den Strom- und den Spannungssensor derart angeschlossen ist, dass der Verhältniswert aus dem Stromwert als Dividend und dem Spannungswert als Divisor gebildet wird, und die Schwellbewertung an ihrem Ausgang ein Nachweissignal für potenzielle Lichtbögen aufweist, wenn durch den berechneten Verhältniswert ein vorgegebener Leitwert-Schwellwert überschritten ist.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungseinheit mindestens eine der Schwellbewertung nachgeordnete selektive Summierung der Nachweissignale der Schwellbewertung auf Basis einer zulässigen Ereignishäufigkeit von Nachweissignalen potenzieller Lichtbögen innerhalb vorgegebener Zeitintervalle enthält und bei Überschreitung der zulässigen Ereignishäufigkeit ein Fehlersignal für erkannte Lichtbögen aufweist.
Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungseinheit mindestens einen der Schwellbewertung nachgeordneten Zähler enthält, wobei die Schwellbewertungseinheit, wenn durch den Verhältniswert ein vorgegebener Schwellwert überschritten ist, ein Nachweissignal potenzieller Lichtbögen aufweist und auf einen inkrementierenden Eingang des Zählers gelegt ist.
Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler einen Reset-Eingang aufweist, der mit einer Torschaltung in Verbindung steht, so dass der Zählwert potenzieller Lichtbögen in definierten Zeitintervallen zurückgesetzt wird.
Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler ein Vor-/Rückwärtszähler ist und einen dekrementierenden Eingang aufweist, der mit einer Torschaltung verbunden ist, so dass der Zähler in definierten Zeitintervallen um ein Inkrement dekrementierbar ist.
Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Torschaltung bei einem wechselspannungsbetriebenen Laststromkreis mit einem Nulldurchgangsdetektor zur Erfassung von Halbwellen der Wechselspannung in Verbindung steht, so dass der Zähler nach einer vorgegebenen Anzahl von Halbwellen um mindestens ein Inkrement dekrementierbar ist.
Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Torschaltung bei einem wechselspannungsbetriebenen Laststromkreis mit einem Nulldurchgangsdetektor zur Erfassung von Halbwellen der Wechselspannung und dem Ausgang der Schwellbewertung in Verbindung steht, so dass der Zähler nach einer vorgegebenen Anzahl von Halbwellen, in denen keine Inkrementierung durch die Schwellbewertung erfolgt ist, um mindestens ein Inkrement dekrementierbar ist.
Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Torschaltung bei einem wechselspannungsbetriebenen Laststromkreis mit einem Schwellwertschalter in Verbindung steht, der bei Unterschreitung einer Spannungsschwelle im Nulldurchgangsbereich der Wechselspannung ein H-Signal aufweist, das mit dem Ausgang der Schwellbewertung für den Verhältniswert UND-verknüpft ist, so dass der Zähler bei einem Nachweissignal der Schwellbewertung und dem H-Signal des Schwellwertschalters der Spannungsschwelle um mindestens ein Inkrement dekrementiert wird.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Strom- und Spannungssensoren und dem Divisionsglied eine digitale Signalvorverarbeitungseinheit vorhanden ist, die mindestens eine der Komponenten Offsetabgleicher, Tiefpassfilter, Phasenkompensationseinheit, Betragsbildner und Halteglied aufweist.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das Divisionsglied und die Bewertungseinheit auf einem FPGA integriert sind.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das Divisionsglied und die Bewertungseinheit auf einem ASIC integriert sind.
Anordnung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu Divisionsglied und Bewertungseinheit weitere Elemente, insbesondere Strom- und Spannungssensoren und eine dem Divisionsglied vorgelagerte Signalvorverarbeitungseinheit, auf einem Schaltkreis integriert sind.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der überwachten Leitung des Laststromkreises nahe der Energieversorgung ein elektrischer Schalter angeordnet ist, der zur Trennung der Verbindung zur Energieversorgung vorgesehen ist, wenn die Bewertungseinheit ein Fehlersignal für erkannte Lichtbögen aufweist.
Anordnung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalter ein Festkörperschalter eingesetzt ist.
Anordnung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalter ein elektromagnetisches Relais eingesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor mit zugehörigem Analog-Digital-Wandler, der Spannungssensor in Form des Analog-Digital-Wandlers und ein Funktionsbaustein, der das Divisionsglied und die Bewertungseinheit enthält, in einem kompakten Schutzschalter integriert sind, dessen Schaltfunktion die überwachte Leitung von der Energieversorgung trennt, wenn die Bewertungseinheit das Fehlersignal generiert.