DE102007031342A1

DE102007031342A1 - Verfahren zum Gewinnen einer Information über die Verlaufsform eines Fehlerstroms, insbesondere zum Zwecke des an selbige angepassten Verhinderns eines dauerhaften Fehlerstroms in einem Fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: DE102007031342A1
Application number: DE200710031342
Authority: DE
Inventors: Jean-Mary Martel; Mikael Swawola
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-01-15

Abstract

Ein Fehlerstrom wird einer statistischen Analyse unterzogen, und zwar werden die Schiefe S und die Kurtosis K berechnet, wobei statistische Größe hierbei der Ausgang eines Summenstromwandlers ist. Aus Schiefe S und Kurtosis K kann auf die Verlaufsform des Fehlerstroms zurückgeschlossen werden. In Abhängigkeit von der Verlaufsform kann ein Schwellwert für das Auslösen eines Stromunterbrechers festgelegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen einer Information über die Verlaufsform eines zwischen einer Stromzufuhr(-leitung) und einer Stromabfuhr(-leiturig) auftretenden Fehlerstroms, wobei beabsichtigt ist, durch Kenntnis der Verlaufsform des Fehlerstroms auf dessen Ursache zurückschließen zu können. Passend zur Verlaufsform kann auch gegebenenfalls verhindert werden, dass der Fehlerstrom dauerhaft bleibt. Diese Verfahren kann durch einen Fehlerstromschutzschalter gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 5 durchgeführt werden.
Herkömmliche Fehlerstromschutzschalter, insbesondere der an die Netzspannung angeschlossenen Art, weisen einen Summenstromwandler auf. Primärseitig werden bei dem Summenstromwandler die Stromzufuhr- und die Stromabfuhrleitung so geschaltet, dass sich bei Abwesenheit eines Fehlerstromes die von den einzelnen Leitungen ausgehenden Magnetfelder gegenseitig aufheben. Sekundärseitig wird dann keine Spannung erzeugt. Tritt ein Fehlerstrom auf, bedeutet dies, dass mehr Strom zugeführt als abgeleitet wird. Auf diese Weise wird primärseitig ein von Null verschiedenes Magnetfeld erzeugt, sodass sekundärseitig eine von Null verschiedene Spannung induziert wird. Die Spannung wird in dem Fehlerstromschutzschalter über einen Analog-Digital-Wandler einem Mikroprozessor zugeführt. Dieser vergleicht den Mittelwert der Spannung mit einem Schwellwert. Solange der Schwellwert unterschritten wird, wird der Mikroprozessor nicht weiter aktiv. Wird der Schwellwert überschritten, wird ein Stromunterbrecher ausgelöst, damit der Fehlerstrom nicht dauerhaft fließen kann. Derartige Fehlerstromschutzschalter sind grundsätzlich für den Fall ausgelegt, dass der Fehlerstrom sinusförmig schwingt. Je nach Ursache des Fehlers (Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, Elektronikbauteile mit Thyristoren, Frequenz- Wandler) kann die Verlaufsform des Fehlerstroms jedoch ganz anders aussehen als sinusförmig. Der Fehlerstrom kann eine Mehrzahl von Frequenzanteilen umfassen oder auch pulsförmig sein. Insbesondere ein pulsförmiger Fehlerstrom hat einen Gleichstromanteil, der durch den Summenstromwandler nicht transformiert wird. Dadurch täuscht die Spannung am Ausgang des Summenstromwandlers einen kleineren Fehlerstrom als den tatsächlichen vor.
Zum Gewinnen einer Information über die Verlaufsform des Fehlerstroms hat man bisher lediglich an die schnelle Fouriertransformation gedacht. Für eine solche braucht man jedoch eine sehr hohe Anzahl von Messwerten, wodurch die Grenzen der Leistungsfähigkeit der verwendeten Vorrichtungen erreicht werden, was insbesondere dazu führt, dass der Fehlerstrom möglicherweise zu lange fließt, bis die Verlaufsform erkannt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein einfach handhabbares und schnell durchführbares Verfahren zum Gewinnen einer Information über die Verlaufsform eines Fehlerstroms bereitzustellen, dadurch ein einfaches Verfahren zum Verhindern des dauerhaften Fließens eines Fehlerstroms zu ermöglichen und so auch einen Fehlerstromschutzschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5 weiterzubilden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 4 und einen Fehlerstromschutzschalter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 5 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit die folgenden Schritte:

– Einsetzen eines Summenstromwandlers, bei dem Stromzufuhr (beispielsweise einzelne Leitung oder drei Leitungen bei 3-Phasen-Strom) und Stromabfuhr primärseitig geschaltet sind und sekundärseitig im Falle eines Fehlerstroms eine von Null verschiedene Spannung erzeugt wird,
– Aufnehmen einer Vielzahl von Messwerten für die Spannung (beispielsweise in gleichmäßigen zeitlichen Abständen über mindestens eine Periode der Netzfrequenz, also über zumindest 20 ms bei 50 Hz, oder über Vielfache der Perio de)
– Statistisches Auswerten der Messwerte zum Ermitteln zumindest einer statistischen Größe,
– Schließen von dem Wert der zumindest einen statistischen Größe auf die Verlaufsform des Fehlerstroms.

Der Schritt des Schließens auf die Verlaufsform kann beinhalten, dass bestimmte Wertebereiche für die statistische Größe oder Kombinationen von Wertebereichen bei verschiedenen statistischen Größen festgelegt werden, denen bestimmte Grund-Verlaufsformen des Fehlerstroms und damit bestimmte Ursachen für den Fehlerstrom zugeordnet werden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine statistische Auswertung wesentlich einfacher eine ausreichende Aussage über die Verlaufsform ermöglicht, ohne dass die Präzision einer schnellen Fouriertransformation, die mit viel Aufwand einhergeht, benötigt wird.
Bereits bisher wird wie bereits erwähnt der zeitliche Mittelwert der Spannung abgeleitet (genauer gesagt der Effektivwert). Aus diesem kann aber nicht auf die Verlaufsform des Fehlerstroms geschlossen werden. Die Verlaufsform des Fehlerstroms kann insbesondere bei der Verwendung von höheren Momenten erahnt werden. Hierbei wird man insbesondere an die zentralen Momente denken. Nach dem Mittelwert wird man zunächst die Standardabweichung bzw. Varianz prüfen und feststellen, dass diese zwar nicht genügen, dass aber bereits das dritte zentrale Moment hilft, eine Aussage über die Verlaufs form des Fehlerstroms zu machen. Auch die höheren zentralen Momente eignen sich, wobei man dann bevorzugt das vierte zentrale Moment auswerten wollen wird.
Die Schiefe, bei der das dritte zentrale Moment verwendet wird, und die Kurtosis, bei der das vierte zentrale Moment verwendet wird, haben sich als statistische Größen erwiesen, die zum Schließen auf die Verlaufsform des Fehlerstroms geeignet sind.
Statistische Größe zur Berechnung von Schiefe und Kurtosis ist jeweils die Spannung, die gemessen wird. Es genügen 32 Messwerte, um gute Werte für die Schiefe und die Kurtosis zu erhalten.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Verhindern eines dauerhaften Fehlerstroms, der zwischen einer Stromzufuhr und einer Stromabfuhr auftritt, bei dem zunächst eine Information über die Verlaufsform des Fehlerstroms erfindungsgemäß gewonnen wird, dann ein von der ermittelten Verlaufsform (bzw. der hierfür ermittelten zumindest einen statistischen Größe) abhängiger Schwellwert für die (mittlere) sekundärseitig erzeugte Spannung festgelegt wird, und dann ein Stromunterbrecher ausgelöst wird, wenn der Schwellwert überschritten wird.
Anders als bei bisher bekannten Verfahren wird somit der Schwellwert erfindungsgemäß an die Verlaufsform des Fehlerstroms angepasst, sodass insbesondere die Gleichspannungsanteile im Fehlerstrom berücksichtigt werden können. Bei pulsförmigem Fehlerstrom wird der Schwellwert typischerweise niedriger liegen als bei sinusförmig oszillierendem Fehlerstrom.
Der erfindungsgemäße Fehlerstromschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5 wird dadurch weitergebildet, dass sein Mikroprozessor dazu ausgelegt ist, die zugeführten Signale (Ausgangsspannung, digital gewandelt) statistisch zu analysieren und in Abhängigkeit von der statistischen Analyse einen Schwellwert für die (mittlere) Ausgangsspannung festzu legen, bei dessen Überschreitung der Mikroprozessor den Stromunterbrecher auslöst.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei die Figur die Werte von Schiefe und Kurtosis bei unterschiedlichen Pulsformen eines Fehlerstroms veranschaulicht.
Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung ist ein Fehlerstromschutzschalter mit einem Summenstromwandler, der in an sich bekannter Weise den Fehlerstrom in eine Spannung wandelt, die Kriterium für das Auslösen eines Stromunterbrechers ist. Bei mechanisch arbeitenden Fehlerstromschutzschaltern wird aufgrund der sekundärseitigen Spannung direkt ein Strom erzeugt, der bei Überschreiten eines durch die Mechanik vorgegebenen Schwellwerts einen Anker auslöst. Vorliegend wird davon ausgegangen, dass die Spannung mittelbar über einen Analog-Digital-Wandler einem Mikroprozessor zugeführt wird, der diese auswertet. Der Mikroprozessor vergleicht die Spannung mit dem Schwellwert und löst aktiv einen Stromunterbrecher aus. Es soll nun erreicht werden, dass dieser Schwellwert von der Art des Fehlerstroms, insbesondere von seiner Verlaufsform abhängig festgelegt werden kann. Oszilliert der Fehlerstrom sinusförmig, so kann der Schwellwert eher höher gesetzt werden. Bei einem pulsförmigen Fehlerstrom sollte der Schwellwert niedriger liegen. Es wird nun mittels der statistischen Analyse auf die Verlaufsform des Fehlerstroms zurückgeschlossen:
Hierzu werden zunächst Werte für eine statistische Größe, also die sekundärseitige Spannung, gemessen. Es hat sich erwiesen, dass 32 Werte eine ausreichende Qualität des Verfahrens gewährleisten.
Nun werden anhand der gemessenen Werte die Schiefe und die Kurtosis berechnet. Die Schiefe S berechnet sich nach folgender Formel:
In Worten ausgedrückt ist die Schiefe das auf die dritte Potenz der Standardabweichung normierte dritte zentrale Moment. In der Formel ist hierbei X die statistische Größe, also die gemessene Spannung, μ der Mittelwert, und E ist der Erwartungswert und symbolisiert eine normierte Summe.
Die Kurtosis berechnet sich nach folgender Formel:
Die Kurtosis ist ein spezieller Fall der Wölbung und in Worten das auf das Quadrat der Varianz normierte vierte zentrale Moment.
Die Figur zeigt nun Werte für die Schiefe S und Kurtosis K bei unterschiedlichen Verlaufsformen eines Fehlerstroms (bzw. allgemein der statistischen Größe X).
Die Verlaufsform 10 ist eine rein sinusförmige Schwingung. Die Verlaufsform 12 ist eine sinusförmige Schwingung mit sinusförmigen Oberwellen. Die Verlaufsformen 14 und 16 haben jeweils Pulsformen mit relativ breiten, leicht asymmetrischen Pulsen. Die Verlaufsformen 18 und 20 weisen jeweils relativ spitze, ebenfalls asymmetrische Pulse auf. Die Verlaufsform 22 zeigt einzelne, äußerst scharfe Spitzen, und die Verlaufsform 24 zeigt eine abfallende Pulsform.
Die Schiefe S ist ein Maß für die Symmetrie der Pulsform. Ist S > 0, so bezeichnet man die Form als rechtsschief, S = 0 steht für eine normalverteilte Zufallsgröße, und bei S < 0 bezeichnet man die Pulsform als linksschief. Dementsprechend ist es nicht verwunderlich, dass bei den Verlaufsformen 10 und 12 S = 0 ist. Wie der Figur zu entnehmen ist, wird der Betrag der Schiefe immer größer, je asymmetrischer der Pulsverlauf wird.
Die Kurtosis ist bei einem ganz flachen Signal gleich 0 und wird umso höher, je schärfer das Signal wird. Da die sinusförmigen Verlaufsformen 10 und 12 nicht ganz flach sind, hat die Kurtosis K bei diesen einen endlichen Wert. Von den Verlaufformen 14, 16 über die Verlaufsformen 18, 20 zur Verlaufsform 22 werden die Pulse immer schärfer, sodass die Kurtosis K immer größer wird.
Mit Ausnahme einer Verlaufsform 26, bei der Schiefe S und Kurtosis K gar nicht definiert sind, weil sie unperiodisch ist, kann man somit durch einfaches Einteilen der Werte für Kurtosis K und Schiefe S in Wertebereiche auf die bestimmten Grund-Verlaufsformen des Fehlerstroms zurückschliessen, wenn man die Schiefe S und die Kurtosis K wie vorliegend ermittelt und prüft, in welchen Wertebereich sie fallen. Die Verlaufsformen 10 bis 24 können ganz bestimmten Fehlerstromursachen zugeordnet werden, sodass man diese Ursachen anhand der statistischen Analyse zumindest qualitativ ermitteln kann. Es kann vorgesehen sein, einer Bedienperson auf einem Bildschirm anzuzeigen, welche Bauteilart für den Fehlerstrom verantwortlich ist.
Das Wissen um die Verlaufsform des Fehlerstroms kann auch sinnvoll in einem Fehlerstromschutzschalter genutzt werden: wie oben bereits erwähnt, kann der Schwellwert, ab dem ein Stromunterbrecher durch den Mirkoprozessor ausgelöst wird, variabel gestaltet werden. Bei einer Verlaufsform mit starken Pulsen, zum Beispiel bei den Verlaufsformen 18, 20 und 22 sollte der Schwellwert eher niedriger liegen. Bei einer Verlaufsform, die sinusförmig ist oder einer sinusförmigen Verlaufsform zumindest nahe kommt, wie bei den Verlaufsformen 10, 12, 14 und 16 kann der Schwellwert eher höher liegen.

Claims

Verfahren zum Gewinnen einer Information über die Verlaufsform eines zwischen einer Stromzufuhr und einer Stromabfuhr auftretenden Fehlerstroms, mit den Schritten: – Einsetzen eines Summenstromwandlers, bei dem Stromzufuhr und Stromabfuhr primärseitig geschaltet sind und sekundärseitig im Falle eines Fehlerstroms eine von Null verschiedene Spannung erzeugt wird, – Aufnehmen einer Vielzahl von Messwerten für die Spannung. – Statistisches Auswerten der Messwerte zum Ermitteln zumindest einer statistischen Größe, – Schließen von dem Wert der zumindest einen statistischen Größe auf die Verlaufsform des Fehlerstroms.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine statistische Größe auf dem dritten zentralen Moment und/oder einem höheren zentralen Moment als dem dritten zentralen Moment beruht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiefe und/oder die Kurtosis ermittelt werden.
Verfahren zum Verhindern eines dauerhaften Fehlerstroms, der zwischen einer Stromzufuhr und einer Stromabfuhr auftritt, mit den Schritten: – Ermitteln der Verlaufsform des Fehlerstroms nach seinem Auftreten, vorzugsweise durch Verwendung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1. – Festlegen eines von der ermittelten Verlaufsform abhängigen Schwellwerts für die sekundärseitig erzeugte Spannung, – Auslösen eines Stromunterbrechers, wenn der Schwellwert überschritten wird.
Fehlerstromschutzschalter, mit einem Summenstromwandler, dessen Ausgangsspannung in den Fehlerstromschutzschalter über einen Analog-Digital-Wandler eines Mikroprozessors geführt wird, wobei der Mikroprozessor dazu ausgelegt ist, einen Stromunterbrecher des Fehlerstromschutzschalters auszulösen, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor dazu ausgelegt ist, die zugeführten Signale statistisch zu analysieren und in Abhängigkeit von dem Ergebnis der statistischen Analyse einen Schwellwert für die Ausgangsspannung festzulegen, bei deren Überschreiten der Mikroprozessor den Stromunterbrecher auslöst.