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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur
Detektion eines stromschwachen Störlichtbogens in einer von einem
Netz versorgten elektrischen Anlage.
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Bei
stromschwachen Störlichtbögen handelt es
sich um in einer elektrischen Anlage auftretende Lichtbögen, die
im Normalbetrieb nicht vorkommen. Solche stromschwachen Störlichtbögen können im Laufe
der Zeit, falls sie unentdeckt bleiben, zu erheblichen Schäden in der
elektrischen Anlage führen.
Je früher
das Auftreten solcher stromschwacher Störlichtbögen erkannt wird, desto sicherer
können
kostenintensive Folgeschäden
verhindert werden. Auf Grund der Vielzahl von transienten Vorgängen in
einem Netz, in dem eine Vielzahl verschiedener Verbraucher zu- und
abgeschaltet oder unter wechselnden Bedingungen betrieben werden,
sowie der unterschiedlichen Eigenschaften der Störlichtbögen selbst und deren von der
Topologie der elektrischen Anlage abhängige Ausbreitung des von ihm
erzeugten Störsignals,
ist eine sichere und fehlerhafte Abschaltung vermeidende Erkennung
eines Störlichtbogens
mit erheblichen Problemen verbunden.
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Aus
der
DE 199 61 267
A1 ist es bekannt, das Auftreten von stromstarken Störlichtbögen in einer
elektrischen Anlage dadurch zu vermeiden, dass bei Erkennen eines
in der Anlage auftretenden, dem stromstarken Störlichtbogen vorausgehenden
stromschwachen einphasigen Lichtbogens die Anlage abgeschaltet wird.
Hierzu werden von einer Überwachungseinrichtung
die Amplituden von in unterschiedlichen Frequenzbereichen auftretenden
Oberschwingungen überwacht. Überschreiten
diese einen vorgegebenen Maximalwert, ist dies als Kriterium für einen
entstandenen einphasigen stromschwachen Lichtbogen zu sehen. Ein
solches Verfahren ist jedoch aber nur bedingt zur sicheren Erkennung
von stromschwachen Störlichtbögen geeignet,
da das Auftreten von Oberschwingungen von Anlage zu Anlage, je nach
deren Topologie und der daran angeschlossenen Verbraucher stark
variiert.
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Alternativ
hierzu wird in der US 2002/0118022 A1 vorgeschlagen, den in einer
Anlage fließenden
Strom und die anliegende Spannung zu erfassen und daraus Eigenschaften
zu extrahieren, die geeignet sind, Störlichtbögen zu erkennen oder zu unterscheiden.
Diese extrahierten Eigenschaften werden einem Signalprozessor zugeführt, indem
sie nach einem Klassifikationsalgorithmus mit gespeicherten Modellen,
die eine Vielzahl unterschiedlicher Ereignisse abbilden, verglichen
werden. Mit anderen Worten: Es wird eine Bibliothek von berechneten
Modellen oder Vorlagen erstellt, mit denen die an den Signalprozessor
weitergeleiteten Datenmuster verglichen werden, um auf diese Weise
das Auftreten der Ereignisse klassifizieren zu können. Diese Vorgehensweise
erfordert jedoch eine Vielzahl von Modellen, die in einer Modellbibliothek
hinterlegt werden und darüber
hinaus unterschiedlichste Anlagensituationen widerspiegeln müssen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Detektion
stromschwacher Störlichtbögen anzugeben,
das in der Praxis einfach realisiert werden kann, und mit dem das
Auftreten stromschwacher Störlichtbögen sicher
und unter weitgehender Vermeidung von Fehlauslösungen erkannt werden kann.
Außerdem
liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine nach diesem Verfahren
arbeitende Einrichtung anzugeben.
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Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung
gelöst
mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen
Merkmalen werden der zeitliche Verlauf eines in der Anlage fließenden elektrischen
Stromes gemessen und das zugehörige
zeitabhängige
Messsignal anhand zumindest eines vorbestimmten, das Vorkommen eines
Störlichtbogens
indizierenden Kriteriums analysiert, das spezifisch für diese
Anlage ist, und das in einem vorangegangenen Schritt durch Vergleich
eines bei einem Betrieb dieser Anlage ohne Störlichtbogen gemessenen ersten
Messsignals mit einem bei einem Betrieb dieser Anlage während einer
Einkopplung eines extern erzeugten Störsignals in das Netz gemessenen
zweiten Messsignals ermittelt worden ist.
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Die
Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es aufgrund der
von elektrischer Anlage zu elektrischer Anlage unterschiedlichen
Topologie sowie der unterschiedlichen Verbraucher praktisch nicht
möglich
ist, abstrakte anlagenübergreifende Konzepte
und Modelle zu entwickeln, anhand derer Entscheidungskriterien abgeleitet
werden können, mit
denen beurteilt werden kann, ob in einer konkreten Anlage ein stromschwacher
Störlichtbögen vorliegt
oder nicht. Die Erfindung geht daher von der Überlegung aus, dass sichere
Kriterien für
das Vorliegen eines stromschwachen Störlichtbogens dann abgeleitet
werden können,
wenn diese Kriterien für
eine konkrete Anlage ermittelt werden, indem in dieser konkreten
Anlage solche Störlichtbögen simuliert werden
und das Verhalten dieser Anlage mit und ohne simulierte Störlichtbögen analysiert
wird. Mit anderen Worten: Es werden keine Modelle für das Verhalten
der Anlage beim Auftreten eines Störlichtbogens erstellt sondern
es wird das tatsächliche
Verhalten der Anlage beim Simulieren von Störlichtbögen analysiert. Durch diese
Maßnahme
können
Kriterien abgeleitet werden, die sichere Aussagen ermöglichen,
und Fehlauslösungen
können
auf ein Minimum reduziert werden.
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Eine
besonders aussagekräftige
Bewertung oder Analyse des Messsignals wird ermöglicht, wenn aus diesem durch
eine mathematische Transformationsvorschrift eine Transformierte
berechnet wird, und das Kriterium durch Vergleich einer mit derselben
Transformationsvorschrift berechneten ersten Referenztransformierten
des ersten Messsignals mit einer mit derselben Transformationsvorschrift
berechneten zweiten Referenztransformierten des zweiten Messsignals
ermittelt worden ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Störsignal
aus einem an dieser Anlage oder an einer Versuchsanlage während des
Auftretens eines Störlichtbogens
gewonnenen Messsignal abgeleitet. Auf diese Weise ist eine weitgehend realitätsnahe Simulation
des Auftretens eines Störlichtbogens
möglich.
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Alternativ
hierzu wird das Störsignal
rechnerisch erzeugt.
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Wenn
das zumindest eine Kriterium automatisch ermittelt wird, das System
also selbstparametrisierend ist, können eine Vielzahl von Störsignalen analysiert
werden, so dass die Sicherheit, mit der das ermittelte Kriterium
einen stromschwachen Störlichtbogen
in unterschiedlichten Betriebssituationen indiziert, entsprechend
erhöht
ist.
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Wenn
bei Detektion eines Störlichtbogens die
Anlage vom Netz getrennt wird, können
hohe Folgeschäden
weitgehend vermieden werden.
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Bezüglich der
Einrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung
gelöst
mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 7.
Die mit diesen Merkmalen einhergehenden Vorteile sowie die Vorteile
der in den zugehörigen
Unteransprüchen aufgeführten Merkmale
stimmen sinngemäß mit den Vorteilen überein,
die jeweils zu den Merkmalen der korrespondierenden Verfahrensansprüche angegeben
sind.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel
der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
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1 bis 3 jeweils
in einer schematischen Prinzipdarstellung eine elektrische Anlage
mit einer Einrichtung zur Störlichtbogendetektion
in unterschiedlichen Betriebsphasen und
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4 ein
Flussdiagramm zum Veranschaulichen der in den unterschiedlichen
Betriebsphasen durchgeführten
Arbeitsschritten.
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Gemäß 1 wird
einen elektrische Anlage 2 von einem Einspeisetransformator 4 eines
elektrischen Netzes 6 mit einer elektrischen Netzspannung versorgt.
Im Beispiel ist vereinfachend ein einphasiges Netz 6 dargestellt.
An das Netz 6 ist eine Schaltanlage 8 angeschlossen,
die eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern 10, von
denen in der Figur nur beispielhaft, ein einziger, beispielsweise
ein Motor, dargestellt ist, mit der Netzspannung versorgt.
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In
der elektrischen Anlage 2 können nun an unterschiedlichsten
Anlagenteilen, beispielsweise an den Kontakten von in der Schaltanlage 8 befindlichen Schaltern 12,
an festen Anschlusskontakten innerhalb der Schaltanlage 8,
zwischen der Schaltanlage und den Verbrauchern 10 oder
in den Verbrauchern 10 selbst stromschwache Störlichtbögen entstehen, die,
falls sie unerkannt bleiben, zu schweren Schäden in der elektrischen Anlage 2 führen können.
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Zum
Nachweis solcher stromschwacher Störlichtbögen ist in der Schaltanlage 8 eine
Einrichtung 14 zur Detektion stromschwacher Störlichtbögen angeordnet.
Diese Einrichtung 14 enthält einen Stromwandler 16 mit
hinreichender Bandbreite, mit dem der zeitliche Verlauf des vom
Netz 6 in die elektrische Anlage 2 eingespeisten
Stromes I erfasst wird. Der Stromwandler 16 ist an einen
internen Mikrocontroller oder Rechner 18 angeschlossen,
bei dem es sich um einen Mikroprozessor mit angeschlossenen Peripherieeinheiten
wie beispielsweise A/D-Wandler,
Speicher usw., handelt. In diesem internen Rechner 18 sind
die Algorithmen und Daten implementiert, mit denen das vom Stromwandler 16 aufgenommene
zeitabhängige
Messsignal I(t) bearbeitet und anhand vorgegebener Kriterien auf
das Vorhandensein von stromschwachen Störlichtbögen analysiert wird. Die Einrichtung 16 enthält eine Schnittstelle 20,
die zum Austausch von Daten zwischen dem internen Rechner 18 und
einem externen Rechner dient. Die Einrichtung 14 enthält außerdem einen
Anschluss 22, mit dem Ausgangssignale eines externen Signalgenerators
in das Netz 6 eingekoppelt werden können, wie dies in der Figur
symbolisch durch einen zur Netzphase führenden Anschlussleiter veranschaulicht
ist. Der interne Rechner 18 steuert über ein Steuersignal S einen
Hauptschalter 23, mit dem die Anlage 2 vom Netz 6 getrennt
werden kann.
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1 zeigt
eine Situation, in der sich die Einrichtung 14 in einem
Normalbetrieb B befindet, in der sie die Anlage 2 auf das
Auftreten von Störlichtbögen überwacht.
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2 zeigt
nun die erste Stufe A1 einer Initialisierungsphase A, in der die
Einrichtung 14 in Betrieb genommen wird. In dieser ersten
Stufe A1 fließt in
der Anlage ein erster Strom I1, der vom
Stromwandler 16 erfasst wird. Die zugehörigen ersten Messsignale I1(t) werden an den internen Rechner 18 weitergeleitet,
der sie nach A/D-Wandlung unmittelbar oder nach einer Aufbereitung
mit vorgegebenen Algorithmen über
die Schnittstelle 20 an einen externen Rechner 24 übermittelt.
Die zugehörigen
ersten Daten werden im externen Rechner 24 gegebenenfalls
nach weiterer interner Verarbeitung gespeichert. In dieser Stufe
A1 der Initialisierungsphase A muss sichergestellt sein, dass die
elektrische Anlage 2 störungsfrei
arbeitet. In dieser Stufe A1 wird die elektrische Anlage 2 unter
verschiedenen, in der Praxis tatsächlich auftretenden Bedingungen
betrieben, d.h. einzelne Verbraucher können zugeschaltet oder abgeschaltet
sein oder unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen, beispielsweise
mit unterschiedlicher Motorlast, betrieben werden. Auf dieses Weise wird
eine Bibliothek von ersten Datensätzen gebildet, die jeweils
einem störlichtbogenfreien
Betrieb unter verschiedenen Betriebsbedingungen entsprechen.
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In
einer zweiten Stufe A2 der Initialisierungsphase A wird nun der
Ausgang eines Signalgenerator 26 über die Anschlüsse 22 an
eine Phase des Netzes 6 angekoppelt. Dieser Signalgenerator 26 erzeugt anhand
von Daten, die vom externen Rechner 24 bereitgestellt sind,
Störsignale Δ, die das
Auftreten von stromschwachen Störlichtbögen simulieren.
Diese Störsignale Δ sind dem
in der Anlage 2 fließenden Strom
I2 aufgeprägt und werden vom Stromwandler 16 erfasst.
Die zugehörigen
zweiten Messsignale I2(t) werden nach A/D-Wandlung
ebenfalls unmittelbar oder nach Bearbeitung mit den selben Algorithmen vom
internen Rechner 18 über
die Schnittstelle 20 an den externen Rechner 24 übermittelt,
in dem als zweite Daten ebenfalls gespeichert werden.
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Zur
Steuerung des Signalgenerators 26 werden vom ersten Rechner 24 digital
gespeicherte zeit- oder phasenabhängige Störsignale an den Signalgenerator 26 weiter
gegeben, der diese nach Digital/Analog-Wandlung in das Netz 6 einkoppelt.
Diese Störsignale
können
rein rechnerisch erzeugte Signale, beispielsweise ein Rauschsignal
sein oder ein Signal sein, das durch inverse Fouriertransformation aus
einem durchgewobbelten monofrequenten Signal erzeugt worden ist.
Alternativ hierzu können
die Störsignale
auch aus realen Messsignalen abgeleitet sein, die an einer Anlage,
beispielsweise eine Versuchsanlage während des Auftretens eines
Störlichtbogens
gewonnen und gegebenenfalls nachbearbeitet, beispielsweise normiert
worden sind.
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Im
externen Rechner 24 werden nun die von dem internen Rechner
in den beiden Stufen A1, A2 der Inbetriebnahme A zur Verfügung gestellten
ersten bzw. zweiten Daten einer Auswertung unterzogen. Dabei werden
automatisch Kriterien (selbstparametrisierendes System) entwickelt,
die es ermöglichen,
Betriebssituationen, in denen kein Störlichtbogen auftritt, von Betriebssituationen
zu unterscheiden, in denen ein solcher Störlichtbogen vorhanden ist.
Diese Kriterien werden an den internen Rechner 18 übermittelt,
der dann im Normalbetrieb B die nach denselben Algorithmen aufbereiteten
Messsignale I1(t) anhand dieser Kriterien überprüft und,
falls diese Überprüfung anzeigt,
dass ein Störlichtbogen
auftritt, die Anlage 2 mit dem Hauptschalter 23 vom
Netz trennt.
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4 erläutert die
während
der Initialisierungsphase A (Inbetriebnahme) und während des Normalbetriebs
B ablaufenden Verfahrensschritte anhand eines Flussdiagramms. In
der ersten Stufe A1 der Initialisierungsphase A ist der vom internen Rechner
gesteuerte Hauptschalter eingeschaltet. Dies ist in der Fig. mit
der Steuerbefehl S=1 veranschaulicht. In dieser ersten Stufe A1
(als Schaltung veranschaulicht in 2) wird
der in der störungsfrei betriebenen
Anlage fließende
Strom I1 in einer Vielzahl von Zeitabschnitten
und unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen gemessen und das
zugehörige Messsignal
I1(t) nach entsprechender Analog/Digital-Wandlung im internen
Rechner bearbeitet. Im internen Rechner wird das Messsignal I1(t) mit den vorgegebenen Algorithmen bearbeitet.
Im Beispiel wird aus dem Messsignal I1(t)
durch eine mathematische Transformationsvorschrift eine erste Referenztransformierte
T1(I1) erzeugt und
die zugehörigen
ersten Daten werden an den externen Rechner übermittelt, in dem diese gespeichert
werden.
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In
der zweiten Stufe A2 der Inbetriebnahme A wird aus einer externen,
beispielsweise ebenfalls im externen Rechner gespeicherten Störsignalbibliothek
zeitlich nacheinander eine Vielzahl von Störsignalen Δ in das Netz eingekoppelt. Mit
dem Stromwandler werden die zugehörigen Messsignale I2(t) des Stromes I2 erfasst
und mit derselben mathematischen Transformationsvorschrift wird
jeweils eine zweite Referenztransformierte T2(I2) erzeugt, deren zugehörige zweite Daten ebenfalls
an den externen Rechner übermittelt
wird.
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Mit
Hilfe dieser ersten und zweiten Referenztransformierten T1 bzw. T2 wird nun
im externen Rechner ein Kriterium K oder eine Mehrzahl von Kriterien
K ermittelt, die dem internen Rechner übermittelt werden und dort
in einem internen Speicher gespeichert sind (Selbstparametrierung).
Die Kriterien K können
bestimmte Bereiche dieser Referenztransformierten T1,
T2 besonders gewichten oder ausblenden.
Bei einer Fouriertransformierten können dies bestimmte Frequenzbereiche
sein. Außerdem
kann auch die Zeitdauer bestimmter Bereiche der Transformierten
T1, T2 gewichtet
werden. So kann es ein Indiz für
einen Störlichtbogen
sein, wenn die Zeitdauer, mit der im zweiten Messsignal I2(t) Signalanteile in bestimmten Frequenzbereichen
vorhanden sind, vorgegebene Werte überschreitet. Bei der Berechnung der
Referenztransformierten T1, T2 können auch
bestimmte Phasenwinkel der ersten und zweiten Messsignale I1(t), I2(t), beispielsweise
Bereiche um das Maximum oder um den Nulldurchgang, besonders gewichtet
oder ausgeblendet werden.
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Im
Normalbetrieb B werden externer Rechner und Signalgenerator von
der Anlage getrennt, und es erfolgt eine permanente Überwachung
des durch die Anlage fliegenden Stromes I durch den internen Rechner.
Hierzu wird die Transformierte T(I) des Messsignals I(t) des Stromes
I berechnet. Anschließend
wird geprüft,
ob eines der gespeicherten Kriterien K erfüllt ist oder nicht. Wenn ja,
wird der Hauptschalter mit dem Steuerbefehl S=0 ausgelöst. Liegt
kein Störlichtbogen
vor, wird mit der Messung und der Überwachung fortgefahren.
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Im
Falle einer Auslösung
des Hauptschalters steht die Transformierte TS(I)
des der Auslösung
vorangegangenen Messzyklus zur Verfügung und kann vor einer erneuten
Inbetriebnahme zur Anpassung des Kriteriums K oder der Kriterien
K herangezogen werden, wie dies im Flussdiagramm durch das modifizierte
Kriterium KS symbolisch dargestellt ist.
In diesem Fall werden die Kriterien oder Parameter an sich ändernde
Bedingungen in der elektrischen Anlage angepasst, so dass die Einrichtung
ein selbstparametrisierendes adaptives System bildet.
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Bei
der mathematischen Transformationsvorschrift, mit der die Transformierte
T erzeugt wird kann es sich um eine Fouriertransformation, eine
gefensterte Fouriertransformation oder um eine Wavelettransformation
handeln. Als Kriterien K sind im einfachsten Fall Schwellwerte vorgesehen,
deren Überschreiten
vom internen Rechner überwacht
wird. So kann es beispielsweise sein, dass bei einer konkreten Anlage
das Auftreten eines Störlichtbogens
sich dadurch bemerkbar macht, dass in einem, beispielsweise auf
die Amplitude bei 50 Hz normierten Frequenzspektrum Frequenzen auftreten,
die im störlichtbogenfreien
Betrieb entweder nicht vorhanden oder allenfalls mit einer Amplitude
auftreten, die unter einem Schwellwert liegt.