DE102007052963A1

DE102007052963A1 - Verfahren zur Kurzschlusserkennung in einem elektrischen Stromnetz

Info

Publication number: DE102007052963A1
Application number: DE102007052963A
Authority: DE
Inventors: Frank Prof. Berger; Timo Mützel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2009-05-14
Also published as: US8335656B2; CN101842953A; US20100312505A1; CN101842953B; WO2009056432A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Kurzschlusses, insbesondere zur Kurzschlussf Zur Verbesserung der Schaltzeit von Schutzgeräten wird vorgeschlagen, dass der Strom (i) sowie dessen erste und zweite zeitliche Ableitung jeweils zum gleichen Zeitpunkt (t) und zeitlich im gleichen Abstand (Deltat) fortlaufend aufeinanderfolgend ermittelt und jeweils als digitale Zahlenfolge weiterverarbeitet werden, dass jeder Zahlenfolge ein vorgegebener Grenzwert (16, 18, 20) zugeordnet ist, dass die Zahlen der drei Zahlenfolgen mit dem jeweils zugeordneten Grenzwert (16, 18, 20) verglichen werden, dass jeder Zahl, die den zugeordneten Grenzwert (16, 18, 20) überschreitet, eine Wichtungszahl (30, 32, 34) zugeordnet wird, dass die Wichtungszahlen (30, 32, 34), die zum gleichen Zeitpunkt (t) gehören, jeweils zu einer ersten Wichtungssumme aufsummiert werden, dass jeweils für eine vorgegebene Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten (t) die ersten Wichtungssummen zu einer zweiten Wichtungssumme (40) aufsummiert werden, dass die zweite Wichtungssumme (40) mit einem weiteren vorgegebenen Grenzwert (42) verglichen wird und dass ein Kurzschluss als erkannt gilt, wenn die zweite Wichtungssumme (40) den vorgegebenen Grenzwert (42) überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kurzschlusserkennung, insbesondere zur Kurzschlussfrüherkennung, in elektrischen Stromnetzen.
Jedes elektrische Netz ist generell gegen Kurzschlüsse im Netz abzusichern. Im Bereich der privaten Hausinstallation sind hierzu Sicherungsautomaten vorgesehen. In der Industrie, insbesondere bei elektrischen Anlagen oder Maschinen, wird dies durch Schutzgeräte in Form von Leistungsschaltern erreicht, welche über entsprechende Auslöseeinheiten im Kurzschlussfall geöffnet werden.
Derartige Schutzgeräte begrenzen im Kurzschlussfall zunächst den fließenden Strom, um sowohl die elektrischen Anlagen (Kabel, Stromschienen etc.) als auch die angeschlossenen Lasten (Maschinen etc.) zu schützen. Die Strombegrenzung bewirkt eine Herabsetzung der dynamischen (gegeben durch das Stromquadrat) und thermischen Belastungen (gegeben durch das Integral über das Stromquadrat) einer elektrischen Anlage im Kurzschlussfall. Die Belastung hängt von der Ansprechzeit des Schalters ab, die möglichst unter 0,5 ms liegen sollte. Die Ansprechzeit hängt insbesondere von der Zeit (Eigenzeit) ab, welche die elektronische Auswerteeinheit zum Erkennen eines Kurzschlusses benötigt.
Die Problematik langer Kurzschlusserkennungszeiten (viel größer als 100 μs) elektronischer Auslöseeinheiten ist insbesondere auch aus den Kennlinienfeldern der Leistungsschalter ersichtlich. Stellt man die Ausschaltkennlinien zweier Leis tungsschalter mit identischem mechanischen Aufbau und unterschiedlichen Auslöseeinheiten (elektronisch und thermomagnetisch) gegenüber, so ist insbesondere bei hohen Kurzschlussströmen eine deutlich höhere Ausschaltzeit des Leistungsschalters mit elektronischer Auslöseeinheit zu verzeichnen. Dies bringt aufgrund der längeren Einwirkdauer eine hohe Belastung der zu schützenden Anlage mit sich und wirkt sich durch die hohe im Schalter umgesetzte Energie auch negativ auf das Schaltvermögen der Leistungsschalter selbst aus.
Zum Erkennen eines Kurzschlusses wird bei vielen elektronischen Auslösern der Momentanwert des fließenden Stromes mit einem Schwellwert verglichen, was je nach Art des Kurzschlusses relativ lange dauern kann.
Zur Verringerung der Zeit bis zum Erkennen eines Kurzschlusses wurde bereits vorgeschlagen, als alternatives Kriterium die Steilheit der Stromkurve (erste zeitliche Ableitung des Stroms) zu berücksichtigen. Diese Art der Auslösung spricht nur auf die Steilheit der Stromkurve aber nicht auf die erreichte Stromstärke an. Dieses Kriterium wurde zunächst nur bei Gleichstromschnellschaltern zur Verkürzung der Ausschaltzeiten verwandt, da in Wechsel- bzw. Drehstromsystemen die Beziehung zwischen Stromanstiegsgeschwindigkeit, Kurzschlussstrom und Spannung abhängig vom Kurzschlusszeitpunkt und vom Leistungsfaktor des Netzes ist.
Die Kombination beider Kriterien, Momentanwert des Stromes und Stromsteilheit, wird in DE 36 42 136 C2 vorgeschlagen. In jeder Hauptstrombahn wird hierzu ein Sensor, z. B. Rogowski-Wandler, zur Bestimmung der Stromsteilheiten eingesetzt. Daran schließt sich eine Bildung von digitalen Wertepaaren aus Stromsteilheit und Momentanwert des Stromes an, welche mit vorgegebenen Schwellwerten verglichen werden. Dieser Ver gleich wird vorzugsweise über ein Ortskurvenkriterium durchgeführt. Der Nachteil des in der DE 36 42 136 C2 beschriebenen Algorithmus ist, dass er eine Bewertung von Schaltvorgängen nur ohne Vorstrom ermöglicht. Dadurch können Veränderungen des Leistungsfaktors, z. B. durch Zu- bzw. Abschalten großer Maschinen oder sonstige Änderungen des Stromes, bereits zur Auslösung führen, obwohl diese noch im zulässigen Bereich liegen.
In der DE 015 88 096 A wird als Kriterium zur Kurzschlusserkennung die Summe aus erster und zweiter Ableitung des Stromes verwendet. Die zweite Ableitung wird dabei durch eine LC-Schaltung aus der ersten Ableitung des Stromes erzeugt, weshalb das Signal mit einem Ausgleichsglied behaftet ist. Zudem ist das Signal aufgrund der LC-Schaltung relativ leistungs-schwach, was seine Auswertung erschwert. Zur Ermittlung des Ansprechwertes g und zur Bestimmung der Faktoren x und y werden in der DE 015 88 096 A keine Angaben gemacht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbesserung der Schaltzeit von Schutzgeräten anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Lösung sieht vor, dass der Strom sowie dessen erste und zweite zeitliche Ableitung jeweils zum gleichen Zeitpunkt und zeitlich im gleichen Abstand fortlaufend aufeinanderfolgend ermittelt und jeweils als digitale Zahlenfolge weiterverarbeitet werden, dass jeder Zahlenfolge ein vorgegebener Grenzwert zugeordnet ist, dass die Zahlen der drei Zahlenfolgen mit dem jeweils zugeordneten Grenzwert verglichen werden, dass jeder Zahl, die den zugeordneten Grenzwert überschreitet, eine Wichtungszahl zugeordnet wird, dass die Wichtungs zahlen, die zum gleichen Zeitpunkt gehören, jeweils zu einer ersten Wichtungssumme aufsummiert werden, dass jeweils für eine vorgegebene Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten die ersten Wichtungssummen zu einer zweiten Wichtungssumme aufsummiert werden, dass die zweite Wichtungssumme mit einem weiteren vorgegebenen Grenzwert verglichen wird und dass ein Kurzschluss als erkannt gilt, wenn die zweite Wichtungssumme den vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht Kurzschlusserkennungszeiten von kleiner 100 μs und verbessert so die strombegrenzenden Eigenschaften eines entsprechenden elektrischen Netzes deutlich.
Technisch einfach ist es, wenn die erste zeitliche Ableitung jeweils zum gleichen Zeitpunkt und zeitlich im gleichen Abstand fortlaufend aufeinanderfolgend ermittelt wird und wenn aus der ersten zeitlichen Ableitung der Strom durch Integration sowie dessen zweite zeitliche Ableitung durch Differentiation berechnet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 den zeitlichen Verlauf eines Kurzschlussstromes und dessen erster und zweiter Ableitung,
2 das Ersatzschaltbild eines elektrischen Stromnetzes in Form eines ohmsch-induktiven Kreises,
3 eine normierte Darstellung der zweiten Ableitung des Stromes zum Einschaltzeitpunkt für das Stromnetz gemäß 2,
4, 5 Ortskurven von Einschaltvorgängen von ohmsch-induktiven Kreisen bei unterschiedlichen Einschaltphasenwinkeln der Spannung,
6 einen dreidimensionalen Grenzquader,
7 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Kurzschlusserkennung und
8 ein Ablaufschema für die Anordnung gemäß 7.
1 zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf des Stromes 100 (i aufgetragen über der Zeit t: i(t)) und dessen erster und zweiter zeitlicher Ableitung 102, 104 im Falle eines Kurzschlusses in einem elektrischen Stromnetz 4 (s. 7). In 1 ist zu erkennen, dass die zweite zeitliche Ableitung 104 den beiden anderen Kurven 100, 102 zeitlich vorauseilt.
2 zeigt das Ersatzschaltbild 2 des elektrischen Stromnetzes 4, das als ohmsch-induktiver Kreis angenähert ist, mit einem ohmschen Widerstand R, einer Recktanz X und einem Kompaktleistungsschalter, der mit einer nicht gezeigten elektronischen Auslöseeinheit versehen ist. Der Widerstand R und die Recktanz X repräsentiert hierbei die zu schützende elektrische Anlage.
Aus dem Ersatzschaltbild 2 lässt sich bei einer Nennspannung (Effektivwert) U_N und einem Phasenwinkel ψ der Spannung u als Funktion der Zeit t folgende Differentialgleichung für den Einschaltvorgang des einphasigen ohmsch-induktiven Kreises mit einer Frequenz ω ableiten: u(t) = √2·UN·sin(ωt + ψ) = R·i+L∂i∂t
Mit einer Phasenverschiebung φ = arctan X / R und einem Nennstrom (Effektivwert) I_N wird der Einschaltstrom im Zeitbereich durch folgende Gleichung beschrieben:
Nach zweimaligem Differenzieren ergibt sich für die zweite Ableitung des Stromes i:
3 zeigt eine auf ω²I_N normierte Darstellung der zweiten Ableitung 106 des Stromes zum Einschaltzeitpunkt des ohmsch-induktiven Kreises t = 0 mit jeweils einem unteren Leistungsfaktor cosφ_u = 0,1 und einem oberen Leistungsfaktor cosφ_o = 0,9 über verschiedene Phasenwinkel ψ.
Beispiele für Ortskurven 24 und 26 von Einschaltvorgängen in ohmsch-induktiven Kreisen mit unterschiedlichem Einschaltphasenwinkel ψ der Spannung u sind in 4 und 5 dargestellt (Ir ist dabei der Stromeinstellwert der stromabhängig verzögerten elektronischen Auslöseeinheit).
Über theoretische Betrachtungen und einfache Simulationen lässt sich durch Überlagerung der Ortskurven innerhalb eines festgelegten Leistungsfaktor- und Schaltwinkelbereichs deren Einhüllende bestimmen. Anhand der Einhüllenden sind – wie nachfolgend gezeigt – Grenzwerte insbesondere für ohmsch-induktive Kreise ableitbar.
Zur Vereinfachung werden die Grenzwerte (hier des Ortskurven-Auslösekriteriums) nachfolgend durch einen einhüllenden Quader 120, 122 angenähert; im Folgenden wird dieses vereinfachte Auslösekriterium daher als Quader-Kriterium bezeichnet.
Bei einem Einschaltphasenwinkel ψmax der Spannung u
beträgt der Maximalwert der zweiten Ableitung für cosφ_o = 0,9 zum Einschaltzeitpunkt t = 0
Mit diesem Maximalwert der zweiten Ableitung als Grenzwert (Auslösegrenzwert oder Auslöseschwellwert) werden die beiden anderen in 6 dargestellten Grenzwerte für das Quader-Kriterium festgelegt. 6 zeigt dabei lediglich die Beträge des Stroms i sowie die Beträge von dessen erster und zweiter Ableitung und somit auch nur ein achtel des Quaders 124 im dreidimensionalen (positiven und negativen) Raum.
7 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum schnellen (frühzeitigen) Erkennen eines Kurzschlusses in einem elektrischen Stromnetz 4. Als Sensor dient vorzugsweise eine Rogowski-Spule 46. Ein nachgeschaltetes Eingangsfilter 56 verhindert Fehlauslösungen, hervorgerufen durch Harmonische im Stromsignal, was einen Einsatz insbesondere in industriellen Netzen mit von Um-/Wechselrichtern gespeisten Lasten ermöglicht. Die so gefilterte erste Ableitung des Stroms i wird zur weiteren Verarbeitung von einem A/D-Wandler 44 digitalisiert, anschließend normiert (Normierer x/y) und über Rückwärtsdifferenzenbildung durch einen Differenzierer 50 differenziert
sowie durch einen Integrator 48 über eine Anwendung der Trapezregel integriert
wobei die Integration hier den Strom i liefert.
Anschließend erfolgt die Auswertung in der zur Auslöseeinheit gehörenden Auswerteeinheit 60.
8 zeigt ein Ablaufschema der Auswertung anhand des Stroms i sowie dessen erster und zweiter Ableitung nach der Zeit, die jeweils zum gleichen Zeitpunkt t und zeitlich im gleichen Abstand Δt unmittelbar aufeinanderfolgend ermittelt werden und hinter der A/D-Wandlung jeweils als digitale Zahlenfolgen vorliegen. Selbstverständlich kann die A/D-Wandlung und damit die Digitalisierung auch vor dem Eingangsfilter 56 oder nach der Normierung (Normierer x/y) erfolgen.
Da die Rogowski-Spule 46 bereits die erste Ableitung liefert, werden daraus – wie oben beschrieben – die zweite Ableitung durch numerische Differentiation und der Strom i durch numerische Integration gebildet, einmal mittels Nachfilterung (Tiefpassfilter 52) und einmal mittels Vorfilterung (Hochpassfilter 54). Das Tiefpassfilter 52 bedämpft durch die Differentiation verstärkte hochfrequente Frequenzanteile. Das Hochpassfilter 54 kompensiert die bei numerischer Integration auftretenden Fehler durch Gleichglieder.
Anschließend liegen die drei so bearbeiteten digitalen Zahlenfolgen an den Eingängen der Auswerteeinheit 60 an, welche deren Zahlen mit dem der Zahlenfolge zugeordneten Grenzwert (Auslösegrenzwert oder Auslöseschwellwert) 16, 18, 20 vergleicht. Jeder Zahlenfolge ist ein eigener Grenzwert 16, 18, 20 zugeordnet (16 für den Strom i, 18 für die erste Ableitung und 20 für die zweite Ableitung).
Die Grenzwerte 16, 18, 20 sind die des oben beschriebenen Quader-Kriteriums des einhüllenden Quaders 120, 122 und werden (wie oben für den ohmsch-induktiver Kreis beschrieben) entsprechend berechnet.
Da elektrische Netze 4, insbesondere in der Niederspannungstechnik, sich nicht vollständig durch ein rein ohmsch-induktives Netz abbilden lassen, wird eine Anpassung über einen Ansprechwert 28 (nach Eingabe des Stromeinstellwerts Ir der stromabhängig verzögerten Auslöseeinheit und gegebenenfalls des Stromeinstellwerts Ii der unverzögerten Auslöseeinheit) vorgenommen (zur Anpassung insbesondere an Einschaltvorgänge von Maschinen, Transformatoren (Inrush-Ströme) und Leitungen sowie kapazitive Lasten, z. B. Kompensationsanlagen). Für ohmsch-induktive Kreise entspricht dieser Ansprechwert 28 dem Zahlenwert 2. Für andere Verbraucher z. B. Maschinen mit hohen Einschaltströmen ist der Ansprechwert entsprechend zu wählen. Auf diese Weise ist das Verfahren daher neben dem gesamten Spektrum ohmsch-induktiver Netze auch an andere Netze anpassbar und ermöglicht somit einen erweiterten Einsatzbereich.
Überschreitet eine der Zahlen den zu dieser Zahlenfolge gehörenden Grenzwert 16 bzw. 18 oder 20, so bedeutet das, dass diese Zahl außerhalb des Quaders liegt und damit, dass ein Fehler in Form eines Kurzschlusses vorliegen könnte. Jeder dieser Zahlen, die den zugehörigen Grenzwert 16 bzw. 18 oder 20 überschreitet, wird eine Wichtungszahl 30, 32, 34 zugeordnet: die Wichtungszahl 1, wenn die Zahl der Zahlenfolge des Stroms i den Grenzwert 16 überschreitet, die Wichtungszahl 0,5, wenn die Zahl der Zahlenfolge der ersten Ableitung den Grenzwert 18 überschreitet, und die Wichtungszahl 0,25, wenn die Zahl der Zahlenfolge der zweiten Ableitung den Grenzwert 20 überschreitet. Der Strom i erfährt die stärkste Wichtung, da dessen Wert ein vergleichsweise sicheres Kriterium für einen vorliegenden Kurzschluss ist. Die Wichtung erfolgt grundsätzlich als Funktion der Netzkonfiguration bzw. der zu schützenden Verbraucher und Betriebsmittel.
Die Wichtungszahlen 30, 32, 34, die zum gleichen Zeitpunkt gehören, werden jeweils zu einer ersten Wichtungssumme aufsummiert und zur Zwischenspeicherung in eine Queue 38 gegeben, die als FIFO-Speicher ausgebildet ist, der jeweils zehn erste Wichtungssummen aufnehmen kann. Diese ersten Wichtungssummen werden nach jedem Zeitintervall Δt, also bei jedem Abtastzeitintervall des A/D-Wandlers um eine Stelle weiter durchgeschoben, so dass die älteste dieser ersten Wichtungssummen jeweils herausfällt. Überschreitet zu einem Zeitpunkt t keine Zahl den zugehörigen Grenzwert 16 bzw. 18 oder 20, so bleibt der FIFO-Speicher an dieser Stelle leer. Dies ist im Normalbetrieb der Fall, wo alle Zahlen der drei Zahlenfolgen innerhalb des einhüllenden Quaders 120, 122 liegen.
Die zehn ersten Wichtungssummen im FIFO-Speicher, die zu unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gehören, werden jeweils zu einer zweiten Wichtungssumme 40 aufsummiert und mit einem weiteren vorgegebenen Grenzwert 42 (Auslöseschwel wert) verglichen, für den hier der Zahlenwert 3 vorgegeben ist. Erkennt die Auswerteeinheit 60, dass die zweite Wichtungssumme, also die Summe der Queues 38, den festgelegten Grenzwert 42 überschreitet, dann veranlasst sie eine Auslösung 22 des Kompaktleistungsschalters durch die elektronische Auslöseeinheit.
Die ersten Wichtungszahlen sind derart gewählt, dass eine Auslösung allein durch eine Überschreitung des Grenzwertes 20 der zweiten Ableitung nicht möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3642136 C2 [0007, 0007]
- DE 01588096 A [0008, 0008]

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Kurzschlusses in einem elektrischen Stromnetz (4), bei dem der Strom (i) sowie dessen erste und zweite zeitliche Ableitung jeweils zum gleichen Zeitpunkt (t) und zeitlich im gleichen Abstand (Δt) fortlaufend aufeinanderfolgend ermittelt und jeweils als digitale Zahlenfolge weiterverarbeitet werden, bei dem jeder Zahlenfolge ein vorgegebener Grenzwert (16, 18, 20) zugeordnet ist, bei dem die Zahlen der drei Zahlenfolgen mit dem jeweils zugeordneten Grenzwert (16, 18, 20) verglichen werden, bei dem jeder Zahl, die den zugeordneten Grenzwert (16, 18, 20) überschreitet, eine Wichtungszahl (30, 32, 34) zugeordnet wird, bei dem die Wichtungszahlen (30, 32, 34), die zum gleichen Zeitpunkt (t) gehören, jeweils zu einer ersten Wichtungssumme aufsummiert werden, bei dem jeweils für eine vorgegebene Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten (t) die ersten Wichtungssummen zu einer zweiten Wichtungssumme (40) aufsummiert werden, bei dem die zweite Wichtungssumme (40) mit einem weiteren vorgegebenen Grenzwert (42) verglichen wird und bei dem ein Kurzschluss als erkannt gilt, wenn die zweite Wichtungssumme (40) den vorgegebenen Grenzwert (42) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zeitliche Ableitung jeweils zum gleichen Zeitpunkt (t) und zeitlich im gleichen Abstand (Δt) fortlaufend aufeinanderfolgend ermittelt wird und dass aus der ersten zeitlichen Ableitung der Strom (i) durch Integration sowie dessen zweite zeitliche Ableitung durch Differentiation berechnet werden.