DE102010036211A1

DE102010036211A1 - Verfahren zur Feststellung von fehlerhaften Verbindungsleitungen einer Schalteranordnung und eine entsprechende Schalteranordnung

Info

Publication number: DE102010036211A1
Application number: DE102010036211A
Authority: DE
Inventors: Andre Borgwardt; Johann Dorrer; Andreas Krauss; Gerd Müller; Martin Müllhofer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung von insbesondere unterbrochenen Verbindungsleitungen (VL) einer Schalteranordnung in einem Stromverteilungssystem, das einen vorgeordneten und einen nachgeordneten Schalter (US, DS) aufweist, wobei der durch den nachgeordneten Schalter (DS) fließende Strom auch über den vorgeordneten Schalter (US) fließt, wobei die beiden Verbindungsleitungen (VL) den vorgeordneten und den nachgeordneten Schalter (US, DS) verbinden und zusammen mit einer Strom- und/oder Spannungsquelle (U) einen geschlossenen Stromkreisreis bilden, mit einem Sperrsignal, das der nachgeordnete Schalter (DS) mit Hilfe einer Strom- und/oder Spannungsquelle (U) jeweils auf die Verbindungsleitungen (VL) gibt. Um Störungen der Schutzfunktionen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass die Verbindungsleitungen (VL) derart am nachgeordneten Schalter (DS) angeschlossen sind, dass sich jeweils ein erster Strom- oder Spannungspegel (I_N-I_min oder Umax-U_H) einstellt, dass das Sperrsignal dadurch gebildet wird, dass der nachgeordnete Schalter (DS) den ersten Strom- oder Spannungspegel (I_N-I_min oder Umax-U_H) auf einen zweiten vorgegebenen Strom- oder Spannungspegel (Imax-I_H oder U_N-U_min) anhebt oder absenkt, und dass bei fehlendem Strom- oder Spannungspegel (I_UD=0 oder U_DD=0) eine vorgegebene Fehleraktion erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung von fehlerhaften Verbindungsleitungen einer Schalteranordnung und eine mit dem Verfahren arbeitende Schalteranordnung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.
Schalteranordnungen in einem Stromverteilungssystem mit einem von der Einspeisung aus gesehen vorgeordneten und nachgeordneten Schaltern, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen, sind bekannt. Dabei fließt der Strom jeweils durch die Schalter, welche bei Überschreitung eines Stromgrenzwerts im Über- und/oder Kurzschlussstromfall selbsttätig öffnen. Der durch den nachgeordneten Schalter fließende Strom fließt dabei jeweils auch durch den vorgeordneten Schalter. Die Schalter sind mittels Verbindungsleitungen in Form einer verdrillten Zweidrahtleitung miteinander verbunden, wobei die Verbindungsleitungen zusammen mit einer Strom- bzw. Spannungsquelle einen geschlossenen Stromkreis bilden. Wird ein vorgegebener Stromgrenzwert überschritten, so gibt der nachgeordnete Schalter jeweils ein Sperrsignal auf die Verbindungsleitungen. Das Sperrsignal ist im einfachsten Fall ein Strompegel, der durch Verringerung des Innenwiderstands des geschlossenen Stromkreises bewirkt wird. Auf diese Weise signalisiert der nachgeordnete Schalter dem vorgeordneten, dass sein vorgegebener Stromgrenzwert überschritten ist und er den Strom unterbrechen wird. Ist kein Strompegel vorhanden, öffnet der vorgeordnete Schalter selbst, da auch sein Stromgrenzwert bei einem Über- und Kurzschlussstrom jeweils überschritten wird. Diese Funktionalität bezeichnet man als Selektivität, d. h. im Fehlerfall unterbricht der dem Fehlerort am nächsten liegende Schalter den Strom, während der vorgeordnete nicht auslöst. Das Verfahren mit über Verbindungsleitungen miteinander verbundenen Schaltern und einem Sperrsignal wird als Zonenselektivität bezeichnet.
Eine anderes bekanntes Verfahren ist die sogenannte Zeitselektivität, die eine zwischen den Schaltern einzuhaltende Wartezeit (Staffelzeit) aufweist, mit dem Nachteil, dass je nach Anzahl der Stufen (Staffelstufen) ein Fehler in der Nähe der Einspeisung jeweils erst mit größerer zeitlicher Verzögerung abgeschaltet wird.
Dieser Nachteil wird durch die Zonenselektivität vermieden. Der Vorteil der Zonenselektivität ist eine hohe Störfestigkeit und Auslösesicherheit.
Nachteilig ist dabei aber, dass, wenn in der Zweidrahtleitung ein Drahtbruch auftritt, der übergeordnete Schalter bei Überschreitung des Stromgrenzwerts kein Sperrsignal empfängt und bei einem Über- und Kurzschlussstrom sofort öffnet. Bei einem Kurzschluss in der Zweidrahtleitung detektiert der vorgeordnete Schalter möglicherweise ein nicht vorhandenes Sperrsignal, nimmt keine Trennung vor und bleibt bis zum Ablauf einer voreingestellten Verzögerungszeit geschlossen. Dies kann zu erheblichen Schäden im Stromverteilungssystem führen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, Störungen der Schutzfunktionen der Schalter aufgrund einer unterbrochenen oder kurzgeschlossenen Zweidrahtleitung zu vermeiden.
Die Aufgabe wird bezogen auf das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezogen auf die Schalteranordnung durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst.
Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren vor, dass mit Hilfe der Strom- und/oder Spannungsquelle jeweils ein erster vorgegebener Strom- oder Spannungspegel erzeugt wird, dass das Sperrsignal jeweils dadurch gebildet wird, dass der nachgeordnete Schalter den ersten Strom- oder Spannungspegel auf einen zweiten Strom- oder Spannungspegel ändert, und dass bei fehlendem Strom- oder Spannungspegel eine vorgegebene Fehleraktion ausgeführt wird.
Die Lösung sieht bezogen auf die Schalteranordnung vor, dass die Verbindungsleitungen derart am nachgeordneten Schalter angeschlossen sind, dass sich jeweils ein erster Strom- oder Spannungspegel einstellt, dass das Sperrsignal dadurch gebildet wird, dass der nachgeordnete Schalter den ersten Strom- oder Spannungspegel auf einen zweiten vorgegebenen Strom- oder Spannungspegel anhebt oder absenkt, und dass bei fehlendem Strom- oder Spannungspegel eine vorgegebene Fehleraktion erfolgt.
Die vorgegebene Fehleraktion kann aber auch zusätzlich bei Überschreitung eines vorgegebenen Strompegels oder Unterschreitung eines vorgegebenen Spannungspegels, also bei (stark) verändertem Strom- oder Spannungspegel, ausgeführt werden.
Bei der Lösung erfolgt also die Detektion mittels des Strom- oder Spannungspegels auf der Zweidrahtleitung. Dieser hat stets einen von Null verschiedenen Wert, wird zyklisch oder permanent erfasst und mittels einer entsprechenden Auswertung bewertet. Bei einem Drahtbruch in der Zweidrahtleitung fällt der Strom- oder Spannungspegel auf Null und wird somit sicher erkannt. Bei einem Kurzschluss in der Zweidrahtleitung nimmt der Strom- oder Spannungspegel einen Wert an, der entsprechend überhöht (Strompegel), verringert bzw. Null (Spannungspegel) ist; er wird somit ebenfalls sicher erkannt werden.
Die maximale Länge der Signalleitung/Zweidrahtleitung ist dabei nur durch die maximal mögliche Bürde (den Bürdenwiderstand) begrenzt, die durch die Stromquelle betrieben werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Schalteranordnung eines Stromverteilungssystems mit zwei Schaltern in einer schematischen Darstellung,
2, 3 je eine Schaltung von zwei zu den Schaltern gehörenden Einrichtungen,
4 den geschlossenen Stromkreis der beiden miteinander verbundenen Einrichtungen,
5 den geschlossenen Stromkreis gemäß 4 zusätzlich mit einem Kurzschluss,
6 miteinander verbundene Einrichtungen für eine Schalteranordnung gemäß 1, aber mit je zwei parallelen vorgeordneten und nachgeordneten Schaltern,
7 eine tabellarische Übersicht über die Auswirkungen auf den Strom und die Spannung in den Einrichtungen beim Auftreten eines Fehlers,
8 die Spannungs- und die Strompegel mit den zugehörigen Toleranzbändern beim Auftreten eines Fehlers und
9, 10 alternative Ausführungen für die Einstellung der Ruhe- und Sperrpegel.
1 zeigt schematisch eine Schalteranordnung eines Stromverteilungssystems, die an eine Einspeisung PN in Form eines Stromnetzes angeschlossen ist und zwei Schalter US, DS umfasst, wobei es sich bei den Schaltern US, DS um Leistungsschalter für Niederspannungen handelt. Der Schalter US (Upper Switch) ist von der Einspeisung PN aus gesehen vorgeordnet, der Schalter DS (Down Switch) nachgeordnet, wobei der durch den nachgeordneten Schalter DS fließende Strom I auch über den vorgeordneten Schalter US fließt. Abgangsseitig ist der Schalter DS mit zugehöriger Last L2 sowie eine optionale Last L1 angeschlossen, die Last L1 ist parallel zum Schalter DS und der Last L2 geschaltet.
Die beiden Schalter US, DS weisen eine Einrichtung UD, DD auf, die mit einem Eingang IN und einem Ausgang OUT versehen sind. Der Ausgang OUT des nachgeordneten Schalters DS ist (bei mehreren Schaltern jeweils) mit dem Eingang IN des vorgeordneten Schalters US über zwei Verbindungsleitungen VL in Form einer verdrillten Zweidrahtleitung verbunden.
Zur Realisierung einer Zonenselektivität bildet eine (Strom- bzw.) Spannungsquelle U (s. 3) mit den Verbindungsleitungen VL einen geschlossenen Stromkreis, der so ausgebildet ist, dass sich ein Ruhepegel (erster vorgegebener Strom- und Spannungspegel) einstellt.
Überschreitet der durch die Schalter US, DS fließende Strom einen vorgegebenen Stromgrenzwert, so öffnet der dem Fehlerort am nächsten liegende Schalter, der Schalter US oder der Schalter DS, selbsttätig. Tritt also im Lastkreis mit der Last L2 ein Über- und/oder Kurzschlussstrom auf, öffnet der Schalter DS, tritt er im Lastkreis mit der Last L1 auf, öffnet der Schalter US.
Bevor der nachgeordnete Schalter DS öffnet, gibt er ein Sperrsignal auf die Verbindungsleitungen VL, um dem vorgeordneten Schalter US zu signalisieren, dass sein vorgegebener Stromgrenzwert überschritten ist und er den Strom unterbrechen wird. In diesem Falle, also bei Vorliegen des Sperrsignals, bleibt der vorgeordnete Schalter US jeweils geschlossen.
Das Sperrsignal wird dadurch gebildet, dass der nachgeordnete Schalter DS den Ruhepegel (den ersten Strom- oder Spannungspegel) auf einen Sperrpegel (d. h. auf einen zweiten vorgegebenen Strom- oder Spannungspegel) ändert. Er könnte ihn also anheben oder absenken (je nachdem ob Strom- oder Spannungspegel).
In 2 ist eine Schaltung der Einrichtung DD und in 3 eine Schaltung der Einrichtung UD gezeigt. Die Einrichtungen DU, DD sorgen zunächst dafür, dass sich bei fehlerfreien Verbindungsleitungen VL der Ruhepegel einstellt.
4 zeigt, dass der geschlossene Stromkreis aus (Strom- bzw.) Spannungsquelle U und Verbindungsleitungen VL dazu über einen Transistor T abgeschlossen ist. Durch den Widerstand R wird der Ruhepegel, hier ein Ruhestrom, in den geschlossenen Stromkreis eingeprägt, welcher von der Einrichtung UD als Lichtsignal L der Leuchtdiode D detektiert wird. Anstelle der Spannungsquelle U könnte selbstverständlich auch eine Stromquelle verwendet werden.
Zur Feststellung von Fehlern in den Verbindungsleitungen VL ist die Einrichtung DD beispielhaft mit einer Spannungsmessung und die Einrichtung UD beispielhaft mit einer Strommessung versehen. Der Pfeil in 4 soll schematisch einen Kurzschluss P zwischen den Verbindungsleitungen VL anzeigen.
5 entspricht bis auf den Kurzschluss P der 4, an dessen Stelle aber zusätzlich Leitungsunterbrechungen LU in den Verbindungsleitungen VL vorhanden sind.
6 zeigt zur besseren Erklärung der Erfindung abweichend von 1 aber analog zu 4 und 5 Einrichtungen UD, UD1, DD, DD1 für eine Schalteranordnung eines Stromverteilungssystems mit zwei parallelen Schaltern US und zwei parallelen Schaltern DS. Die Einrichtungen UD, UD1, DD, DD1 sind über Verbindungsleitungen VL miteinander verbunden und weisen schematisch Fehler in Form von Leitungsunterbrechungen LU1–LU5 und einen Kurzschluss P der Verbindungsleitungen VL auf.
7 zeigt eine tabellarische Übersicht über die Auswirkungen auf den Strom und die Spannung in den Einrichtungen DU, UD1, DD, DD1, wenn jeder Fehler jeweils als allein auftretend angenommen wird. Die tabellarische Übersicht zeigt, dass die Spannungs- und die Strommessung die einzelnen Fehler in den Verbindungsleitungen VL eindeutig anzeigt und damit zur Fehlerdetektion geeignet ist. Im einzelnen bedeuten: F Fehler, Auswirkung AN, wird Fehler erkannt F?, kein Ruhestrom kI, keine Spannung kU, Kurzschluss P, Leitungsunterbrechung LU und Strom zu hoch I>>.
In 8 sind die Spannungs- und die Strompegel mit den zugehörigen Toleranzbändern Imax-I_H, I_N-I_min, Umax-U_H, U_N-U_min – der besseren Übersicht wegen wieder bezogen auf die Schalteranordnung gemäß 1 – für verschiedene Situationen dargestellt, also

– NoB: fehlerfreier Betrieb, die vorgegebenen Ruhepegel für den Strom I_UD und die Spannung U_DD sind entsprechend eingestellt,
– DDB: der vorgegebene Stromgrenzwert ist überschritten, der Schalter DS wird den Strom unterbrechen und die Einrichtung DD gibt ein Sperrsignal aus,
– SC: einen Kurzschluss P in der Verbindungsleitung VL und
– OC: eine Leitungsunterbrechung LU in der Verbindungsleitung VL.

Der kleine Pfeil mit dem Bezugszeichen H soll anzeigen, dass der genaue Strompegel in der Verbindungsleitung VL in der Situationen OC vom genauen Ort der Leitungsunterbrechung LU abhängt und dabei etwas variiert.
Grundsätzlich lassen sich die Spannungs- und Strompegel entsprechend 8 auch für kompliziertere Schalteranordnungen als die gemäß 1 mit klar voneinander getrennten Toleranzbändern Imax-I_H, I_N-I_min, Umax-U_H, U_N-U_min einstellen. Das Sperrsignal wird dadurch gebildet, dass der nachgeordnete Schalter DS den Ruhepegel (den ersten Strom- oder Spannungspegel) auf den Strom-Sperrpegel anhebt, was nach 8 mit einem Absenken des Spannungs-Sperrpegels einhergeht.
Bei einer Leitungsunterbrechung LU, z. B einem Drahtbruch, fällt der Strom- oder Spannungspegel auf Null und wird somit sicher erkannt. Bei einem Kurzschluss P in der Zweidrahtleitung nimmt der Strom- oder Spannungspegel einen Wert an, der entsprechend überhöht (Strompegel) oder erniedrigt bzw. Null (Spannungspegel) ist; er wird somit ebenfalls sicher erkannt.
Zwei alternative Ausführungen für die Einstellung der Ruhe- und Sperrpegel sind noch in 9 und 10 gezeigt, in denen ein Transistor TS von einer Leuchtdiode potentialgetrennt durchgesteuert wird, um vom Ruhepegel auf den Sperrpegel umzuschalten.
Bei fehlendem Strom- und Spannungspegel in der Situation NoB erfolgt eine vorgegebene Fehleraktion, beispielsweise ein Lichtsignal für eine Bedienperson. Eine andere Fehleraktion wäre die automatische Umschaltung auf Strom- bzw. Zeitselektivität.

Claims

Verfahren zur Feststellung von fehlerhaften Verbindungsleitungen (VL), insbesondere von unterbrochenen Verbindungsleitungen (VL), die einen von der Einspeisung (PN) aus gesehen vorgeordneten und einen nachgeordneten Schalter (US, DS) eines Stromverteilungssystems verbinden, wobei jeweils ein Strom durch die Schalter (US, DS) fließt, welche bei Überschreitung eines vorgegebenen Stromgrenzwerts selbsttätig öffnen, insbesondere bei einem Über- und/oder Kurzschlussstrom, wobei der durch den nachgeordneten Schalter (DS) fließende Strom auch über den vorgeordneten Schalter (US) fließt, wobei die Verbindungsleitungen (VL) zusammen mit einer Strom- und/oder Spannungsquelle (U) einen geschlossenen Stromkreis bilden, wobei der nachgeordnete Schalter (DS) jeweils ein Sperrsignal auf die Verbindungsleitungen (VL) gibt, um dem vorgeordneten Schalter (US) zu signalisieren, dass sein Stromgrenzwert überschritten ist und er den Strom unterbrechen wird, wobei das Sperrsignal mit Hilfe der Strom- und/oder Spannungsquelle (U) erzeugt wird, und wobei der vorgeordnete Schalter (US) jeweils geschlossen bleibt, wenn das Sperrsignal vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Strom- und/oder Spannungsquelle (U) jeweils ein erster vorgegebener Strom- oder Spannungspegel (I_N-I_min oder Umax-U_H) erzeugt wird, dass das Sperrsignal jeweils dadurch gebildet wird, dass der nachgeordnete Schalter (DS) den ersten Strom- oder Spannungspegel (I_N-I_min oder Umax-U_H) auf einen zweiten Strom- oder Spannungspegel (Imax-I_H oder U_N-U_min) ändert, und dass bei fehlendem Strom- oder Spannungspegel (I_UD=0 oder U_DD=0) eine vorgegebene Fehleraktion ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strom- oder Spannungspegel (Imax-I_H oder U_N-U_min) über oder unter dem ersten Strom- oder Spannungspegel (Imax-I_H oder U_N-U_min) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Fehleraktion einer Bedienperson angezeigt wird, dass die Verbindungsleitungen (VL) unterbrochen oder kurzgeschlossen sind.
Schalteranordnung in einem Stromverteilungssystem mit einem von der Einspeisung (PN) aus gesehen vorgeordneten und einem nachgeordneten Schalter (US, DS), insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen, wobei durch die Schalter (US, DS) jeweils ein Strom fließt, welcher bei Überschreitung eines vorgegebenen Stromgrenzwerts, insbesondere bei einem Über- und/oder Kurzschlussstrom, selbsttätig öffnet, und wobei der durch den nachgeordneten Schalter (DS) fließende Strom auch über den vorgeordneten Schalter (US) fließt, mit zwei Verbindungsleitungen (VL), die den vorgeordneten und den nachgeordneten Schalter (US, DS) verbinden und zusammen mit einer Strom- und/oder Spannungsquelle (U) einen geschlossenen Stromkreis bilden, mit einem Sperrsignal, das der nachgeordnete Schalter (DS) jeweils auf die Verbindungsleitungen (VL) gibt, um dem vorgeordneten Schalter (US) zu signalisieren, dass sein vorgegebener Stromgrenzwert überschritten ist und er den Strom unterbrechen wird, wobei der vorgeordnete Schalter (US) jeweils geschlossen bleibt, wenn das Sperrsignal vorhanden ist, mit einer Strom- und/oder Spannungsquelle (U), die zur Erzeugung des Sperrsignals an die Verbindungsleitungen (VL) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (VL) derart am nachgeordneten Schalter (DS) angeschlossen sind, dass sich jeweils ein erster Strom- oder Spannungspegel (I_N-I_min oder Umax-U_H) einstellt, dass das Sperrsignal dadurch gebildet wird, dass der nachgeordnete Schalter (DS) den ersten Strom- oder Spannungspegel (I_N-I_min oder Umax-U_H) auf einen zweiten vorgegebenen Strom- oder Spannungspegel (Imax-I_H oder U_N-U_min) anhebt oder absenkt, und dass bei fehlendem Strom- oder Spannungspegel (I_UD=0 oder U_DD=0) eine vorgegebene Fehleraktion erfolgt.