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Die
Erfindung betrifft eine Störlichtbogen-Schutzeinrichtung
für elektrische Energieverteilungsanlagen, umfassend mindestens
einen Kurzschließer, eine Ansteuerung und einen Sensor
zur Störlichtbogenerfassung gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 102 54 497
B3 ist ein Kurzschließer für eine Störlichtbogen-Schutzvorrichtung
für mindestens eine Phase einer elektrischen Energieverteilungsanlage
der Nieder- und Mittelspannung vorbekannt. Ein solches Schutzsystem
umfasst einen Störlichtbogensensor, z. B. ausgeführt
als optischer Sensor, eine schnelle Auswerte- und Ansteuerelektronik,
in der die optisch erfassten Sensorsignale verarbeitet werden und
in der ein Auslösesignal erzeugt wird, sowie eine Auslöseeinrichtung
zum Realisieren eines metallischen Kurzschlusses, so dass der Störlichtbogen
zum Erlöschen gebracht wird.
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Gemäß
DE 102 54 497 B3 soll
das Auslösen des Kurzschließers möglichst
unmittelbar mit dem Auftreten der optischen Erscheinung des Störlichtbogens
veranlasst werden. Hierfür wird der Kurzschließer über
ein chemisch aktivierbares Reaktionsgemisch betätigt, wobei
die fotochemische Reaktion durch das Licht des Störlichtbogens
ausgelöst wird.
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Die
vorbekannte Störlichtbogen-Schutzvorrichtung wird im Schaltfeldkasten
integriert, wobei innerhalb des Schaltfelds sich Lichtleitfasern
befinden, die das Licht des Störlichtbogens aufnehmen und
an die Reaktionskammer und ein dort vorhandenes Filtersystem weiterleiten.
Mit dem vom Störlichtbogen übermittelten Licht
wird in der Reaktionskammer die erläuterte fotochemische
Reaktion gestartet. Der Kurzschließer besteht aus einem
zylindrischen Körper, der die Reaktionskammer und die Schaltkammer mit
Schaltstücken des Kurzschließers in einer Einheit umfasst,
welche ebenfalls im Schaltkasten angeordnet ist.
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Eine
derartige Störlichtbogen-Schutzvorrichtung muss zum Erhalt
ihrer gewünschten Funktionen bereits bauseitig in die jeweilige
Energieverteilungsanlage integriert werden. Ein Einsatz einer solchen Vorrichtung
für das Arbeiten unter Spannung ist nicht möglich.
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Die
DE 44 10 916 A1 offenbart
ein Verfahren zur Schadensbegrenzung bei Störlichtbögen
in Energieverteilungsanlagen, insbesondere Niederspannungs-Schaltanlagen,
bei dem eine Störlichtbogen-Erkennungseinrichtung verwendet
wird. Hierfür ist mindestens ein Störlichtbogendetektor
und eine Auswerteelektronik vorgesehen. Von der Störlichtbogen-Erkennungseinrichtung
wird ein Fehlersignal an eine Meldeeinrichtung weitergegeben, die
mit einem Sicherheitsdienst, insbesondere der Feuerwehr verbunden
ist.
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Mit
einer solchen Lösung können Brandfolgen aufgrund
von Störlichtbogenfehlern minimiert werden. Für
das Ausführen von Arbeiten unter Spannung ist das vorgestellte
Verfahren jedoch nicht geeignet, da keine automatische Störlichtbogenlöschung
in der notwendig äußerst kurzen Zeit vorgenommen
wird.
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In
elektrischen Anlagen, z. B. Schalt- und Verteileranlagen, werden
in zunehmendem Maße zur Sicherstellung der Versorgungsgewährleistung
und zur Kosteneinsparung anfallende Arbeiten unter Spannung durchgeführt.
Zum Schutz der arbeitenden Personen sind spezielle Arbeitsschutzbekleidungen
zu nutzen und definierte Arbeitsregeln einzuhalten. Eine besondere
Gefährdung der Personen bei Arbeiten unter Spannung stellt
der Störlichtbogen dar, welcher zufällig oder
infolge der Arbeitstätigkeit in den Anlagen auftreten kann.
Trotz an sich hoher Schutzwirkung der Arbeitsschutzbekleidung können bei
solchen Unfällen schwere Verletzungen nicht ausgeschlossen
werden. Neben zuverlässiger Arbeitsschutzbekleidung gibt
es weitere Möglichkeiten, um die Wirkungen eines Störlichtbogens
zu begrenzen.
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Eine
Möglichkeit besteht darin, vor dem Arbeiten unter Spannung
die Überstromschutzeinrichtungen empfindlicher einzustellen,
d. h. beispielsweise Sicherungen mit flinkerer Charakteristik einzusetzen.
Diese Maßnahmen bewirken zumindest bei einem niederohmigen
Störlichtbogen eine Begrenzung der möglichen Störlichtbogenleistung.
Das Einsetzen von flinkeren Sicherungen schränkt jedoch
die übliche Netzversorgung ein bzw. es ist zur Vorbereitung der
Arbeiten eine kurzzeitige Netzabschaltung erforderlich.
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Leistungsstarke
Verteilungen sind gegebenenfalls mit Störlichtbogen-Schutzvorrichtungen
gemäß
DE
102 54 497 B3 oder ähnlichen Einrichtungen ausgestattet.
Dort wird der Störlichtbogen durch die Auswertung des Stromes,
Stromanstiegs oder eines äquivalenten Signals und der Lichtwirkung
erfasst. Auch besteht die Möglichkeit, zusätzlich
Drucksignale auszuwerten. Die Kurzschlussströme in solchen Anlagen,
welche über Schutzeinrichtungen verfügen, liegen
häufig im Bereich von mehreren 10 kA bis 150 kA. In solchen
Anlagen werden aufgrund der hohen Gefährdung und der eingeschränkten
Schutzwirkung der verfügbaren Schutzbekleidung im Allgemeinen keine
Arbeiten unter Spannung durchgeführt.
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Werden
Arbeiten in räumlich benachbarten und elektrisch nachgeordneten
leistungsschwächeren Anlagen vorgenommen, ist es möglich,
mit speziellen mobilen Lichtsensoren diese Störlichtsysteme auch
für das Arbeiten unter Spannung als zusätzliche Schutzmöglichkeit
zu nutzen. Dies ist dann sinnvoll, wenn die Höhe des möglichen
Störlichtbogenstroms durch die Auswerteeinheit des Schutzsystems
noch als Fehlerstrom erfassbar ist. Bei der Nutzung dieser Schutzvorrichtung
ist es jedoch von Nachteil, dass beim Eintreten des Fehlerfalls
eine Vielzahl von eigentlich nicht betroffenen Verbrauchern vom
Netz getrennt werden.
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Übliche
leistungsschwächere Anlagen besitzen jedoch keine Störlichtbogen-Schutzeinrichtungen,
so dass ein dort auftretender Störlichtbogen bis zur Abschaltung
einer vorgeordneten Überstromschutzeinrichtung andauert.
Die Zeitdauer hängt hierbei von der Höhe des Fehlerstroms,
der Art und der Einstellung der Schutzeinrichtung sowie der Art und
der Impedanz des Fehlers ab.
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Die
Einwirkungsdauer eines Störlichtbogens kann daher in ungünstigen
Fällen mehrere Sekunden betragen. Dies führt selbst
bei verhältnismäßig kleinen Fehlerströmen
von z. B. nur 1 kA zu erheblichen Verletzungen. In solchen Netzen
wird jedoch ein Großteil der anfallenden Arbeiten und Wartungen
unter Spannung durchgeführt.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
Störlichtbogen-Schutzvorrichtung für elektrische
Energieverteilungsanlagen anzugeben, mit deren Hilfe es möglich ist,
in Anlagen mit kleinen bis mittleren prospektiven Strömen
von 1 bis ca. 25 kA sicher unter Spannung arbeiten zu können.
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Die
Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Störlichtbogen-Schutzeinrichtung
gemäß der Merkmalskombination der Patentanspruch 1,
wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige
Ausgestaltungen und Weiterbildungen beinhalten.
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Erfindungsgemäß wird
also eine mobile Störlichtbogen-Schutzeinrichtung angegeben,
die für die Zeitdauer der Arbeiten unter Spannung montierbar bzw.
aktivierbar ist und welche beim Auftreten von Störlichtbögen
deren Existenz und Wirkung zeitlich drastisch reduziert, so dass
eine Personengefährdung ausgeschlossen ist.
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Es
wird also für das Arbeiten unter Spannung an der jeweiligen
Energieverteilungsanlage der mindestens eine Kurzschließer,
die Ansteuerung und der Störlichtbogen-Erfassungssensor
nicht stationär, sondern transportabel ausgeführt
und vor Ort an die unter Spannung stehende Anlage angeschlossen
sowie nach Beendigung der Arbeiten wieder entfernt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform weist die Störlichtbogen-Schutzeinrichtung
eine separate Stromversorgung auf, so dass eine Unabhängigkeit
vom jeweilgen Energieversorgungsnetz bzw. der jeweiligen Energieversorgungsanlage
gegeben ist.
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Die
Mittel Kurzschließer und Störlichtbogen-Erfassungssensor
können räumlich getrennt in der jeweiligen Energieverteilungsanlage
angeordnet werden.
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Der
Kurzschließer kann ergänzend einen Überspannungs-, Überstrom-
und/oder Übertemperaturschutz aufweisen.
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Weiterhin
ist ausgestaltend eine integrierte Funktionsüberwachungseinheit
vorgesehen, um nach dem Vorort-Installieren die Funktionsfähigkeit der
montierten Einrichtung zu prüfen.
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Die
Funktionsüberwachungseinheit kann auch eine Erdschlussüberwachung
besitzen, die insbesondere beim Arbeiten an IT-Anlagen von Vorteil ist.
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Die
Störlichtbogen-Schutzeinrichtung kann bei einer Ausführungsform
einen Kurzschließer mit zugehöriger Ansteuerungsbaugruppe
aufweisen, wobei vorgenannte Baugruppen auf einem mechanischen Träger
befestigt sind. Der Träger wiederum besitzt Mittel zum
unmittelbaren kraft- und/oder formschlüssigen elektrischen
Verbinden mit einer Sammelschienenanordnung der jeweiligen Energieverteilungsanlage.
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Ebenfalls
ausgestaltend können der oder die Kurzschließer
und/oder die Ansteuerungsbaugruppe unmittelbar in NH-Leisten oder
Schaltleisten eingesetzt werden.
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Dabei
ist es von Vorteil, wenn mindestens der Kurzschließer in
Patronenform, bevorzugt in NH-Geometrie, ausgeführt ist.
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Die
Kurzschließer können aber auch mit Hilfe von flexiblen
Verbindungskabeln an die Energieversorgungsanlage angeschlossen
werden.
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Dabei
ist zu beachten, dass die Länge der Verbindungskabel ≤ 3
m beträgt, und zwar bei einer Mindesstromtragfähigkeit
von 10 kA/0,5 s.
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Die
Verbindungskabel sind gegenseitig fixiert und gesichert. Hierfür
kann eine Traverse Anwendung finden.
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Der
Störlichtbogen-Erfassungssensor nutzt optische und/oder
elektromagnetische Strahlung bzw. Felder, die vom Störlichtbogen
herrühren.
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Die
Signale des Störlichtbogen-Erfassungssensors können
kabelgebunden, aber auch drahtlos zur Auswertungs- und Ansteuerungseinheit übertragen
werden. Bevorzugt ist eine redundande Übertragung kabelgebunden
und drahtlos vorhanden, um eine nahezu 100%-ige Sicherheit bei der
Störlichtbogenerfassung zu gewährleisten.
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Ergänzend
besteht die Möglichkeit, eine Protokolliereinrichtung vorzusehen,
welche neben einer internen Protokollspeicherung Protokolldaten über das
jeweilige Leitungsnetz zu einer übergeordneten Kontrollstation überträgt.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Störlichtbogen-Schutzeinrichtung,
die vor Ort in elektrischen Energieverteilungsanlagen für
das Arbeiten unter Spannung angeschlossen werden kann, und
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2 eine
Prinzipdarstellung eines Kurzschließers, der auf einer
Montageplatte befestigt ist und welcher auf der Montageplatte noch
eine Ansteuerungsbaugruppe aufweist.
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Wie
bereits erläutert, besteht die Schutzeinrichtung aus mehreren
Teilkomponenten, und zwar einer Störlichtbogen-Erfassungseinrichtung,
einer Kurzschlusseinrichtung, einer Kontaktierungseinrichtung sowie
einer Überwachungseinrichtung.
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Zur
Erfassung der Störlichtbogens werden in bekannter Weise
optische Sensoren genutzt, welche die Wellenlänge und Lichtintensität
der Strahlung des Störlichtbogens auswerten.
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Entsprechend
dem Arbeitsumfeld wird mit einem oder mehreren Sensoren gearbeitet.
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Alternativ
zur rein optischen Störlichtbogenerfassung können
auch Erfassungssysteme mit zusätzlichen Sensoren, z. B.
zur Stromwert- oder Stromanstiegserfassung bzw. zur Spannungs- oder
Frequenzauswertung angewendet werden.
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Es
können auch die Messsignale von in den Anlagen vorhandenen
Strommessgeräten ausgewertet werden. Die Signalübertragung
ist leitungsgebunden, aber auch drahtlos möglich.
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Das
erfindungsgemäße Erfassungssystem besitzt eine
Auswerte- und Reaktionszeit von bevorzugt < 10 ms. Das Erfassungssystem kann bei
einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform eine autarke Energieversorgung
besitzen.
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Das
Erfassungssystem liefert das Auslösesignal für
die Kurzschließeinrichtung und kann darüber hinaus
bei Bedarf auch ein Signal oder die Energie für die Auslösung
einer vorgeordneten Überstromschutzeinrichtung liefern.
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Die
Kurzschlusseinrichtung arbeitet mit einer Verzugszeit von ≤ 1
ms. Die Signalabgabe von der Erfassungseinheit an die Kurzschließereinheit
kann leitungsgebunden, aber auch über Funk oder Powerline,
d. h. über das Energieverteilungsnetz erfolgen. Vorstehende
Maßnahme ermöglicht auch eine räumlich
getrennte Platzierung von Kurzschließer und Erfassungseinheit,
wodurch sehr flexible Anwendungs- und Arbeitsbedingungen geschaffen
werden können.
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Die
Kontaktierungseinrichtungen der Kurzschließer sind so konzipiert,
dass die Schutzwirkung der Einrichtung auch bei Anlagendistanzen
von mehreren 10 m zwischen dem Arbeitsort und dem Kontaktierungsort
des Kurzschließers gegeben ist. Die Kommutierung des Störlichtbogens
zum Kurzschließer wird aufgrund der geringen Impedanz des
Kurzschließers und der Anschlusselemente von < 20 mOhm jederzeit
gewährleistet.
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Die
Kurzschließeinrichtung kann einen Überspannungsschutz
besitzen, welcher die Einheit gegen Netz- oder äußere
Störungen unempfindlich macht, um Fehlauslösungen
zu vermeiden. Darüber hinaus kann die Kurzschlusseinrichtung über
eine Überstrom- bzw. thermische Schutzeinrichtung verfügen.
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Auch
die Kurzschlusseinrichtung kann über eine autarke Energieversorgung
betrieben werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Kurzschlusseinrichtung mit der Kontaktierungseinrichtung bevorzugt
unmittelbar verbunden, jedoch ist auch eine Kontaktierung über
isoliert ausgeführte Steck- oder Klemmverbinder im Sinne
der Erfindung.
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Die
Kontaktierung der Kurzschließereinheit erfolgt über
flexible und lösbare Verbindungsmittel und deren Anschluss
an die jeweilige Energieverteilungsanlage.
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Neben
einer hohen Flexibilität sind die Verbindungsleitungen
kerbfest, abriebfest und chemisch beständig ausgeführt,
z. B. als Trossenkabel ausgebildet.
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Solche
Trossenkabel gewährleisten die notwendigen Eigenschaften,
wie z. B. feinadrig, hochflexibel, trittfest, spannungsfest, stoßstromfest
und kurzzeitstromtragfähig.
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In
einer Ausführungsform besitzt der Kurzschließer
mindestens zwei, bevorzugt drei, jedoch höchstens vier
Anschlussleitungen. Die Anschlussleitungen sind bevorzugt zur mechanischen
Fixierung miteinander nichtelektrisch verbunden. Zwischen Kontaktierungsstelle
und Kurzschließer kann eine Traverse zur Fixierung und
Führung der Leitungen eingesetzt werden.
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Die
Kontaktierungsmöglichkeiten an den Phasen der Anlage sind
variabel wählbar. Bevorzugt werden Messerkontakte für übliche
NH-Sicherungseinsätze verwendet. Für den Fall,
dass keine freie NH-Sicherungsleiste zur Verfügung steht,
kann die Kontaktierung über Gabelklemmen direkt an den Messerkontakten
von vorhandenen Sicherungseinsätzen erfolgen.
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Es
ist auch eine Kontaktierung an freien Setzmuttern, Anschlussfahnen,
Bolzen oder dergleichen möglich.
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Sind
in der Anlage Kugelfestpunkte installiert, können diese
aufgrund der hohen dynamischen Festigkeit als Kontaktierungsmaßnahme
genutzt werden. Der Austausch der Kontaktierungsmittel kann durch
isolierte Steckverbinder oder starre isolierte Verbinder unmittelbar
an der Kurzschlusseinheit erfolgen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform kann die Kontaktierung des
Kurzschließers auch ohne Verwendung von zusätzlichen
Leitungen erfolgen. Hierzu wird der Kurzschließer direkt
am Sammelschienensystem installiert, wenn entsprechende freie Bereiche
an den Sammelschienen vorhanden sind.
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Dabei
kann der Kurzschließer direkt in einer Platte montiert
sein, welche unter Spannung an einem Sammelschienensystem befestigbar
ist und kontaktiert werden kann. Diese Ausführungsvariante besitzt
mehrere Vorteile. Im Arbeitsbereich ist keine zusätzliche
Kabelführung vorzusehen. Die Wirkung und die Gefährdung
durch die Stromkräfte sind besser beherrschbar. Der Kurzschließer
kann daher auch für höhere prospektive Ströme
ausgelegt werden.
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In
Anlagen, in denen der freie Bereich der Sammelschienen sehr schmal
ist, kann eine Befestigungsplatte ohne Kurzschließer an
den Sammelschienen installiert werden. An dieser kann danach eine
weitere Platte mit Kurzschließer eingerastet werden. Zwischen
Kurzschließer und Befestigungsplatte können durch
verschiedene Distanzelemente verschiedene Abstände des
Kurzschließers von dem Sammelschienensystem bei geringem
Platzbedarf realisiert werden.
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Bei
Bedarf kann der Kurzschließer auch an PEN bzw. PE durch
eine weitere Leitung angeschlossen werden. Als Anschlussklemme können
hier übliche isolierte Erdungsklemmen eingesetzt werden.
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Durch
eine bevorzugt im Kurzschließer integrierte Überwachungseinheit
kann die Funktionsbereitschaft der gesamten Anordnung vor Ort überprüft werden.
Dies betrifft sowohl den Zustand der autarken Energieversorgung,
als auch die Funktion der Erfassungseinheit, die Signalübertragung
und den ordnungsgemäßen Anschluss der aktiven
Leiter.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild der Komponenten der erfindungsgemäßen
Störlichtbogen-Schutzeinrichtung, wie sie bereits vor Ort
an eine elektrische Energieverteilungsanlage angeschlossen ist.
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Mechanisch
feste, jedoch flexible Leitungen 1 werden mit den aktiven
Leitern der Anlage, z. B. mit den Sicherungsmessern, zur Kontaktierung
verbunden.
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Der
Kurzschließer 2 verfügt ebenso wie die Störlichtbogen-Erfassungssensorik 5 über
eine separate Spannungsversorgung 3 bzw. 6 und
gegebenenfalls über eine Signal- und Anzeigeeinheit 7.
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Die
Störlichtbogen-Erfassungseinheit 5 dient zur Signalgabe
auf leitungsgebundenem oder drahtlosem Wege für die Ansteuerung 4.
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Die
Ansteuerung 4 führt zur Auslösung des Kurzschließers 2 und
gegebenenfalls ebenfalls zur Signalabgabe bzw. zur direkten Betätigung
von vorgeordneten Überstromschutzeinrichtungen 8 bzw. Schaltgeräten.
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Die
Bereitschaft und die Funktion des Kurzschließers 2,
der Ansteuerung 4, der Störlichtbogen-Erfassungseinheit 5 und
der Spannungsversorgungen 3 und 6 werden durch
eine Überwachungseinheit 9 kontrolliert und/oder
protokolliert.
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Die 2 zeigt
zwei symbolisch angedeutete Kurzschließer 2, die
auf einer Montage- oder Trägerplatte 10 befestigt
sind.
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Zusätzlich
kann auch die Ansteuerung 4 und die Spannungsversorgung 3 (nicht
dargestellt) auf dieser Montageplatte 10 befestigt werden.
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Über
die Montageplatte 10 wird die elektrische Kontaktierung
zum Sammelschienensystem L1, L2, L3 realisiert.
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Die
Montageplatte 10 kann an dem Sammelschienensystem unter
Spannung installiert und befestigt werden.
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Die
Kurzschließer 2 können bereits in der Montageplatte 10 fest
installiert sein bzw. nach der Befestigung der Montageplatte 10 bevorzugt
verrastend mit dieser verbunden werden.
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Ebenso
kann mit der Ansteuerung bzw. der Spannungsversorgung verfahren
werden.
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Ein
derartiger modularer Aufbau bietet neben einem geringen Gewicht
bei der Befestigung der Montageplatte 10 den Vorteil der
einfachen Anpassung an verschiedene Platzverhältnisse bzw.
Einbautiefen in den jeweiligen Energieverteilungsanlagen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10254497
B3 [0002, 0003, 0010]
- - DE 4410916 A1 [0006]