DE102012215523B4

DE102012215523B4 - Method for ensuring the protective function of a switch and switch for carrying out the method

Info

Publication number: DE102012215523B4
Application number: DE102012215523.6A
Authority: DE
Inventors: Aron-Ernst Musiol; Thomas Driehorn; Andre Borgwardt; Peter KOPACZEWSKI; Andreas Krauss; Gerd Müller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2032-09-01
Also published as: DE102012215523A1

Abstract

Verfahren zur Sicherstellung einer Schutzfunktion eines Schalters (S), der einen durch einen Leiter (L1, L2, L3) fließenden Strom bei Erfüllung einer Auslösebedingung unterbricht,- bei dem während des Schalterbetriebs erzeugte Signale erfasst werden,- bei dem eines der erzeugten Signale ein Signal ist, das von einem Wandler (W1, W2, W3) erzeugt wird, und- bei dem die Signalerfassung auf Fehlerhaftigkeit während des Schalterbetriebs anhand von zumindest einem Kriterium geprüft und bei nicht erfülltem Kriterium eine Aktion (FA) ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal von dem Wandler (W1, W2, W3) in Form eines Wechselstrom und einer Wechselspannung vorliegt und das zumindest eine zu erfüllende Kriterium ein regelmäßiger Polaritätswechsel ist, wobei zur Prüfung unabhängig vom Oberwellengehalt jeweils der Wechsel der Polarität gegenüber einem Referenzpunkt detektiert wird, dessen Potential auf null liegt.Method for ensuring a protective function of a switch (S), which interrupts a current flowing through a conductor (L1, L2, L3) when a trigger condition is met, - in which signals generated during switch operation are detected, - in which one of the signals generated is on is a signal that is generated by a converter (W1, W2, W3), and- in which the signal detection is checked for errors during switch operation based on at least one criterion and if the criterion is not met, an action (FA) is triggered, characterized in that that the signal from the converter (W1, W2, W3) is in the form of an alternating current and an alternating voltage and the at least one criterion to be met is a regular change in polarity, with the change in polarity relative to a reference point being detected for the test independently of the harmonic content, whose potential is zero.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherstellung der Schutzfunktion eines Schalters und einen Schalter zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.The invention relates to a method for ensuring the protective function of a switch and a switch for carrying out the method according to the preambles of claims 1 and 2.

Schalter in Form von Leistungsschaltern für Niederspannungen sind bekannt und unterbrechen einen Energiefluss z.B. in einer Energieverteilungsanlage bei einem Über- und Kurzschlussstrom. Die Schalter verfügen über Schalterkontakte, die mit Hilfe eines Schaltmechanismus getrennt werden, um den Schalter zu öffnen. Eine elektronische Auslöseeinheit ermittelt beispielsweise ein zum Energiefluss korrespondierendes Signal. Der Schaltmechanismus zur Trennung der Schaltkontakte wird von einer Auslöseeinheit ausgelöst, wenn eine Auslösebedingung erfüllt ist, d.h. das ermittelte Signal beispielsweise einen Schwellenwert überschreitet.Switches in the form of circuit breakers for low voltages are known and interrupt a flow of energy, e.g. in a power distribution system, in the event of an overcurrent and short-circuit current. The switches have switch contacts that are separated using a switching mechanism to open the switch. For example, an electronic triggering unit determines a signal that corresponds to the energy flow. The switching mechanism for separating the switching contacts is triggered by a triggering unit when a triggering condition is met, i.e. the determined signal exceeds a threshold value, for example.

Die Schalter werden im Energieverteilungssystem mit unterschiedlichen Anforderungen an die funktionale Sicherheit eingesetzt, d.h. an die Sicherheit der Schalter-Funktionen. Die Anforderungen sind bei sicherheitsgerichteten Anwendungen besonders hoch, wobei derartige Anwendungen mehr und mehr an Bedeutung gewinnen. Der einfachste Weg zur Erhöhung der Sicherheitsanforderungen besteht darin, Redundanzen vorzusehen.The switches are used in the power distribution system with different functional safety requirements, i.e. the safety of the switch functions. The requirements are particularly high for safety-related applications, with applications of this type becoming more and more important. The simplest way to increase security requirements is to provide for redundancies.

Fehlerfrei gemessen werden müssen als wichtige Signale insbesondere die Ströme und Spannungen der Energieverteilung. Um dies zu gewährleisten, müssen die Einrichtungen, die zur Erfassung dieser Signale (Signalerfassung) dienen, wie Wandler und elektronische Bauelemente und Schaltungen, ständig auf ihre Funktion hin überprüft werden. Es ist bekannt, zum Testen der Signalerfassungshardware ein externes Prüfgerät anzuschließen und Funktionstests durchzuführen. Dies gilt insbesondere für die Wandler, während einer Außerbetriebnahme zu Wartungszwecken.The currents and voltages of the power distribution, in particular, must be measured correctly as important signals. In order to ensure this, the devices that are used to record these signals (signal detection), such as converters and electronic components and circuits, must be constantly checked for their function. It is known to connect an external test device to test the signal detection hardware and to carry out function tests. This applies in particular to the converters when they are taken out of service for maintenance purposes.

Nachteilig ist dabei, dass eine fehlerhafte Funktion der Signalerfassung im laufenden Betrieb oft nicht erkannt wird.The disadvantage here is that a faulty function of the signal detection is often not recognized during operation.

Aus der DE 32 46 329 A1 ist bereits eine Schutzfunktion eines Schalters bekannt, der einen durch eine Leitung fließenden Strom im Falle eines unzulässigen Überstroms unterbricht. Dabei werden während des Schalterbetriebs die von einem Sättigungswandler erzeugten Meßspannungen erfasst und anhand der erfassten Meßspannungen wird geprüft, ob ein Überstrom vorliegt. Entsprechend den eingestellten Auslöseparametern erfolgt eine Bewertung der Meßspannungen und mit Hilfe eines Auslösemagneten wird eine Schalteröffnung herbeigeführt.From the DE 32 46 329 A1 a protective function of a switch is already known, which interrupts a current flowing through a line in the event of an unacceptable overcurrent. In this case, the measurement voltages generated by a saturation converter are recorded during the operation of the switch, and the measurement voltages recorded are used to check whether an overcurrent is present. According to the set tripping parameters, the measuring voltages are evaluated and the switch is opened with the help of a tripping magnet.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Sicherstellung der Schutzfunktion eines Schalters im laufenden Betrieb und einen Schalter zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen.The object of the invention is to propose a method for ensuring the protective function of a switch during operation and a switch for carrying out the method.

Die Lösung ist bezogen auf das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezogen auf den Schalter durch die Merkmale des Anspruchs 2 gegeben.The solution is given by the features of claim 1 in relation to the method and by the features of claim 2 in relation to the switch.

Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren vor, dass die Fehlerhaftigkeit während des Schalterbetriebs anhand von zumindest einem Kriterium (auf „richtig“ oder „nicht richtig“) geprüft und bei („nicht richtig“) eine Aktion ausgelöst wird.With regard to the procedure, the solution provides that the faultiness during counter operation is checked using at least one criterion (for "correct" or "not correct") and that an action is triggered if ("not correct").

Die Lösung sieht bezogen auf den Schalter vor, dass der Schalter eine Einrichtung zur Detektion einer fehlerhaften Signalerfassung aufweist, welche die Fehlerhaftigkeit der Signalerfassung während des Schalterbetriebs anhand von zumindest einem Kriterium prüft und bei nicht erfülltem Kriterium eine Aktion auslöst.With regard to the switch, the solution provides that the switch has a device for detecting faulty signal detection, which checks the faultiness of the signal detection during switch operation using at least one criterion and triggers an action if the criterion is not met.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Schalters mit einer Detektionseinrichtung mit Nulldurchgangserkennung und
2 eine Detektionseinrichtung zur Überprüfung einer Signalerfassungshardware eines Schalters, die einen Analog-Digital-Wandler umfasst.

The invention is described in more detail below using an exemplary embodiment. Show it:

1 a schematic representation of a switch with a detection device with zero crossing detection and
2 a detection device for checking a signal detection hardware of a switch, which includes an analog-to-digital converter.

1 zeigt schematisch einen Schalter S, der Bestandteil einer Energieverteilungsanlage ist und zur Unterbrechung eines Energieflusses durch die Leiter L1, L2, L3 eines dreiphasigen Stromversorgungsnetzes dient. Der Schalter S verfügt über Schaltkontakte K, die ein Schaltmechanismus zum Öffnen des Schalters S voneinander trennt. Eine elektronische Auslöseeinheit ETU löst die Trennung der Schaltkontakte K durch Betätigen des Schaltmechanismus selbsttätig aus, wenn eine Auslösebedingung erfüllt ist. 1 shows a schematic of a switch S, which is part of a power distribution system and is used to interrupt a flow of energy through the conductors L1, L2, L3 of a three-phase power supply network. The switch S has switching contacts K, which a switching mechanism separates from one another in order to open the switch S. An electronic tripping unit ETU automatically separates the switching contacts K by actuating the switching mechanism when a triggering condition is met.

In 1 sind drei Wandler W1, W2, W3 des Schalters S an den drei Leitern L1, L2, L3 angeordnet, welche Signale abgeben. Widerstände R symbolisieren drei Signalpfade SP, über welche die Signale einer Auswertung AW der Auslöseeinheit ETU zugeführt werden. Die Auslöseeinheit ETU betätigt über ihre Schutzfunktion SF einen Auslösemagneten M des Schaltmechanismus, der die Trennung der Schaltkontakte K auslöst, wenn anhand der Signale festgestellt wird, ob die Auslösebedingung erfüllt ist.In 1 three converters W1, W2, W3 of the switch S are arranged on the three conductors L1, L2, L3, which emit signals. Resistors R symbolize three signal paths SP, via which the signals are fed to an evaluation AW of the tripping unit ETU. The tripping unit ETU uses its protective function SF to actuate a tripping magnet M of the switching mechanism, which trips the switching contacts K when the signals are used to determine whether the tripping condition is met.

Eine Einrichtung D zur Detektion einer fehlerhaften Signalerfassung ist in 1 als punktierte Linie dargestellt und überprüft (detektiert) die Funktionsfähigkeit der Signalerfassungshardware während des Schalterbetriebs anhand eines vorgegebenen Kriteriums. Zu der Signalerfassungshardware gehören insbesondere die Wandler W1, W2, W3 und die Signalpfade SP. Die Detektionseinrichtung D stellt jeweils die Richtigkeit oder Nicht-Richtigkeit des Kriteriums fest. Bei „nicht richtig“ löst die Detektionseinrichtung D (z.B. über die Auslöseeinheit ETU) optisch, akustisch oder per Kommunikation eine Meldung (Fehlermeldung) und/oder eine Aktion aus, welche letztlich eine Prüfung durch eine Bedienperson bewirken.A device D for detecting an incorrect signal detection is in 1 shown as a dotted line and checks (detects) the operability of the signal acquisition hardware during switch operation based on a specified criterion. The signal detection hardware includes in particular the converters W1, W2, W3 and the signal paths SP. The detection device D establishes the correctness or incorrectness of the criterion in each case. In the case of “not correct”, the detection device D (eg via the triggering unit ETU) triggers a message (error message) and/or an action optically, acoustically or by communication, which ultimately causes a check by an operator.

Speziell liegen fortlaufend erzeugten Signale der Wandler W1, W2, W3 in Form eines Wechselstroms und einer Wechselspannung vor, bei denen von der Detektionseinrichtung D im laufenden Schalter-Betrieb hinter den Signalpfaden SP unabhängig vom Oberwellengehalt jeweils die Nulldurchgänge detektiert werden, also der Wechsel der Polarität gegenüber einem Referenzpunkt, dessen Potential auf Null liegt. Das zu erfüllende Kriterium, das auf korrekt funktionierende Wandler W1, W2, W3 und Signalpfaden SP, also der Signalerfassungshardware, hinweist, ist der regelmäßige Polaritätswechsel. Die Detektionseinrichtung D umfasst hier eine Nulldurchgangserkennung NDE. Liegt kein oder kein regelmäßiger Wechsel der Polarität vor, so ist das Kriterium nicht erfüllt („nicht richtig“) und es muss von einem Fehler in der Signalerfassungshardware ausgegangen werden, also einem defekten Wandler, einem Kabelbruch und dergleichen. In diesem Fall wird die Meldung oder Aktion ausgelöst.In particular, the continuously generated signals of the converters W1, W2, W3 are present in the form of an alternating current and an alternating voltage, in which the zero crossings are detected by the detection device D in the ongoing switch operation downstream of the signal paths SP, regardless of the harmonic content, i.e. the change in polarity compared to a reference point whose potential is zero. The criterion to be met, which points to correctly functioning converters W1, W2, W3 and signal paths SP, ie the signal detection hardware, is the regular polarity change. The detection device D here includes a zero crossing detection NDE. If there is no or no regular change in polarity, the criterion is not met (“not correct”) and an error in the signal acquisition hardware must be assumed, i.e. a defective converter, a broken cable and the like. In this case, the message or action is triggered.

2 zeigt schematisch eine Überprüfung einer Signalerfassungshardware eines Schalters S im laufenden Schalterbetrieb mittels der Detektionseinrichtung D, wobei die Signalerfassungshardware einen speziellen Typ (Sigma-Delta) eines Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) ADW aufweist. 2 shows a schematic of a check of the signal detection hardware of a switch S during switch operation using the detection device D, the signal detection hardware having a special type (sigma-delta) of an analog-to-digital converter (AD converter) ADW.

In 2 ist eine weitere Detektion fehlerhafter Signalerfassungshardware mittels einer Detektionseinrichtung D gezeigt, welche die von der Signalerfassungshardware generierten Signale überwacht, hier die Signale, die nach einer analogen Signalveraufbereitung SV z.B. hinter den drei Signalpfaden SP in 1 vorliegen. Diese Signale werden jeweils von einem Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) ADW nach der Wandlung digitalisiert ausgegeben, wobei hier jeder AD-Wandler ADW einen Sigma-Delta-Modulator zur Wandlung des Eingangssignals verwendet.In 2 another detection of faulty signal acquisition hardware is shown by means of a detection device D, which monitors the signals generated by the signal acquisition hardware, here the signals which, after analog signal processing SV, for example behind the three signal paths SP in 1 present. These signals are each output in digitized form by an analog-to-digital converter (AD converter) ADW after the conversion, with each AD converter ADW using a sigma-delta modulator to convert the input signal.

Überprüft wird die fehlerfreie Funktion des AD-Wandlers ADW anhand seiner Eigenschaft, dass der ausgegebene serielle Binär-Datenstrom der Signale niemals mehr als zwei oder drei Werte identischen Inhalts (identischer Binärwerte) liefert wobei der Inhalt aus logische Nullen und Einsen gebildet ist. So wird, wie in 2 gezeigt, zunächst jeder Wert (Samplewert SW) auf seine Gültigkeit (SW OK?) geprüft. Ist dieser Samplewert SW gültig (j), erfolgt eine Weiterverarbeitung. Und ein Fehlerzähler FZ wird auf Null gesetzt (FZ=0) und ausgegeben (Ausgabe A in 2). Wenn nicht (n), wird der Fehlerzähler FZ um einen Zähler erhöht (FZ=FZ+1). Der Fehlerzähler FZ wird jeweils ausgelesen und mit einem Grenzwert x verglichen (FZ>x). Ist der Zählerstand größer als der Grenzwert x (J) wird optisch, akustisch oder per Kommunikation eine Fehler-Meldung FM und/oder eine (Fehler-)Aktion FA ausgelöst.The error-free function of the AD converter ADW is checked based on its property that the output serial binary data stream of the signals never supplies more than two or three values with identical content (identical binary values), whereby the content is formed from logical zeros and ones. So will, as in 2 shown, each value (sample value SW) is first checked for validity (SW OK?). If this sample value SW is valid (y), further processing takes place. And an error counter FZ is set to zero (FZ=0) and output (output A in 2 ). If not (n), the error counter FZ is increased by one counter (FZ=FZ+1). The error counter FZ is read out and compared with a limit value x (FZ>x). If the counter reading is greater than the limit value x (J), an error message FM and/or an (error) action FA is triggered optically, acoustically or via communication.

Sollten nämlich mehr als diese vom Aufbau des Wandlers abhängige Anzahl an identischen Binärwerten ausgegeben werden, kommen nur zwei Ursachen infrage. Zum einen kann der analoge Eingangspegel außerhalb des zulässigen Bereichs liegen oder der AD-Wandler ist defekt. Mittels einer Plausibilitätsprüfung wird geprüft, ob ein zu hoher Eingangspegel vorliegt. Ist dies nicht der Fall, ist der AD-Wandler ADW defekt.If more than this number of identical binary values, which depends on the structure of the converter, are output, there are only two possible causes. On the one hand, the analog input level can be outside the permissible range or the AD converter is defective. A plausibility check is used to check whether the input level is too high. If this is not the case, the AD converter ADW is defective.

Allgemein gesagt werden also jeweils an einzelnen definierten Stellen (z.B. an Verstärker-Ausgängen) Werte überwacht. Eine Über- und Unterschreitung vorgegebener Grenzwerte über einen längeren Zeitraum weisen jeweils auf Fehler in der Signalerfassungshardware hin.Generally speaking, values are monitored at individually defined points (e.g. at amplifier outputs). Exceeding or falling below specified limit values over a longer period of time indicates errors in the signal acquisition hardware.

Claims

Method for ensuring a protective function of a switch (S), which interrupts a current flowing through a conductor (L1, L2, L3) when a trigger condition is met, - in which signals generated during switch operation are detected, - in which one of the signals generated is on is a signal that is generated by a converter (W1, W2, W3), and - in which the signal detection is checked for errors during switch operation using at least one criterion and if the criterion is not met, an action (FA) is triggered, characterized in that that the signal from the converter (W1, W2, W3) is in the form of an alternating current and an alternating voltage and the at least one criterion to be met is a regular change in polarity, with the change in polarity relative to a reference point being detected for the test independently of the harmonic content, whose potential is zero.

Switch (S) for interrupting a current flowing through a conductor (L1, L2, L3), - with switching contacts (K), which can be separated from one another by a switching mechanism to open the switch (S), - with an electronic tripping unit (ETU), which automatically triggers the separation of the switching contacts (K) by actuating the switching mechanism when a triggering condition is met, - With signals generated during switch operation, - with a signal detector for detecting the signals generated and - with a converter (W1, W2, W3) which generates a signal, the switch (S) having a device (D) for detecting a faulty Has signal detection, which checks the faultiness of the signal detection during switch operation based on at least one criterion and triggers an action (FA) if the criterion is not met, characterized in that the signal from the converter (W1, W2, W3) is an alternating current and an alternating voltage is and the at least one criterion to be met is a regular change in polarity, with the test being independent of vo m harmonic content, a detection of the change in polarity occurs in relation to a reference point whose potential is at zero.